Радиоактивность. Правила смещения. Решение задач.

Класс

Урок №37-38

Радиоактивность. Правила смещения. Решение задач.

Изучение нового материала

Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью. В большинстве ядер нестабильность возникает в результате конкуренции между притягиванием нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержали бы большой избыток нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными в силу того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. В 1896 г., через год после открытия рентгеновских лучей, Беккерель решил выяснить, может ли люминесцентный материал, активированный светом, выпускать рентгеновские лучи. Он поместил на фотопластинки, закатанные в плотную черную бумагу, люминесцентный материал, который был у него под рукой, - соль урана, и в течение нескольких часов подвергал этот пакет влиянию солнечного света. После этого он обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и оставило след на фотопластинке. Это указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи. Однако, на удивление Беккереля, оказалось, что тоже самое происходило и тогда, когда такой пакет помещали в темное место, без облучения солнечным светом! Похоже было на то, что это - результат влияния не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации.

В течение нескольких следующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что только соединения урана испускают открытое им спонтанное излучение. Причем нелюминесцентные соединения урана также излучали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией. В мае в 1896 г. Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, что фотопластинки показывали в три-четыре раз большую степень облучения. Загадочное излучение, которое совсем очевидно было свойственно урану, стало известно как лучи Беккереля. Ученица Беккереля, Мария Склодовска-Кюри открыла, что торий также испускает лучи Беккереля. По предложению Марии Склодовской-Кюри и ее мужа, французского физика Пьера Кюри, это явление было названо радиоактивностью. Супруги Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - полоний (названный так в честь родины Мари Кюри - Польши) и радий. Беккерель и супруги Кюри получили в 1903 г. Нобелевскую премию по физике. Сам Беккерель был особенно упомянут «в знак признания его выдающихся заслуг, связанных с открытием радиоактивности». При этом было отмечено, что найден новый источник энергии, полное толкование которого еще впереди. При всем внимании физиков всего мира к открытию радиоактивности, никто тогда еще не предполагал, что это открытие повлияет на ход мировой истории.

Когда Мария и Пъера Кюри в 1901 г. получили первые крупицы радия, Анри Беккерелю нужно было выступить на конференции с докладом о свойствах радиоактивных веществ. Желая продемонстрировать действие излучения радия, он на время взял в лаборатории пробирку с несколькими кристаллами хлорида бария, который содержит примесь соли радия и целый день носил эту пробирку в кармане жилета. Демонстрация излучения прошла успешно - при этом Беккерель неоднократно разворачивался к экрану спиной, чтобы продемонстрировать, что радиевые лучи проникают к сульфиду цинка сквозь его собственное тело. Но через 10 дней на коже Беккереля напротив жилетного кармана появилось красное пятно, которое долго еще не заживало.

Последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались много физиков, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут выпускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы -, - и -излучениями. На рисунке изображена схема эксперимента, которая позволяет обнаружить сложное соединение радиоактивного излучения. В магнитном поле - и -лучи отклоняются в противоположные стороны, причем -лучи отклоняются значительно больше. -лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Схема опыта по выявлению -, - и -излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, В – магнитное поле.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга способностью ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладают -частицы. В воздухе при нормальных условиях -частицы проходят путь в несколько сантиметров. -частицы обладают большой проникающей способностью. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают -лучи, способные проходить даже через слой свинца толщиной 5–10 см.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.

Во втором десятилетии XX века после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер. Исследования показали, что -лучи представляют поток -частиц – ядер гелия, -лучи – это поток электронов, -лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны < 10^{-10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц –} гамма-квантов.

Альфа-распад – спонтанное превращение атомного ядра, при котором ядро теряет 2 зарядовые единицы и 4 а.е.м. При этом ипускается -частица – ядро атома гелия Не (одна или несколько)_. Примером такого процесса может служить -распад радия:

-частицы, которые испускаются ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеиванию на ядрах тяжелых элементов. Скорость -частиц, которые испускаются при -распаде ядер радия, определялась по кривизне траектории в магнитном поле и приблизительно равняется 1,5·10⁷ м/с.

Лист бумаги, легкая летняя одежда, даже внешняя слой нашей кожи способны задержать альфа-частицы. Однако они очень опасны, если вдохнуть или проглотить радиоактивную пыль. В наших незащищенных внутренних органах за свой короткий путь -частицы успевают разрушить ближайшие клетки и нанести им серьезный вред. Даже если клетка выживет, могут возникнуть раковые новообразования.

Бета-распад – это спонтанное превращение атомного ядра, при котором заряд увеличивается на 1 зарядовую единицу, а массовое число неизменно. При -распаде из ядра вылетает один или несколько электронов. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при -распаде в результате превращения нейтрона в протон. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она отражается символом Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде:

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при -распаде. Электрон, который образуется в результате распада одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родного дома» (ядра) с огромной скоростью, которая может отличаться от скорости света лишь на часть процента. -излучение проникает в тело глубже, но наносит меньший вред, чем -излучение. Его действие распределяется на многие клетки, потому последствия для каждой отдельной клетки не настолько серьезны.

При -распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером -распада может служить превращение изотопу тория Th возникающего при -распаде урана U в палладий- 234:

Гамма-распад, в отличие от - и -распадов, не связан с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при -, так и при -распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких гамма-квантов с очень большой энергией. Поскольку гамма-излучение имеет огромную энергию, оно может нанести значительный вред живым организмам. Проникая в тело, оно повреждает клетки, а во многих случаях и генетическую информацию.

Английский учёный Ф. Содди сформулировал правила смещения для - и -распадов:

· при -распаде ядро теряет 2 зарядовые единицы, а массовое число убывает на 4 а.е.м., при этом элемент смещается на 2 клетки в таблице Менделеева к её началу;

· при -распаде заряд ядра увеличивается на 1 зарядовую единицу, а масса остаётся неизменной, при этом элемент смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева.

 

Решение задач

 

1. Обозначьте, какая компонента радиоактивного излучения имеет наибольшую проникающую способность

а) - лучи б) лучи в) - лучи

 

2.Радиоактивный превращается в . Сколько при этом произошло и превращений?

а) 2 и 2 б) 4 и 2 в) 2 и 4 г) 4 и 6

3. При радиоактивных превращениях ядра произошло 8 -распадов и 6 -распадов. В результате образовалось ядро:

а) б) в) г)

4. Результатом альфа- распада изотопа является изотоп:

а) б) в) г)

5. Как измениться положение химического элемента в таблице Менделеева после – распада ядер его атомов?

6.Почему нейтроны являются лучшими «снарядами» для разрушения ядра атома, чем другие частицы?

7. Как измениться положение химического элемента в таблице Менделеева после – распада ядер его атомов?

8.Можно ли внешними действиями изменить скорость радиоактивного распада атома?

9. Определить состав ядер атомов лития, изотопов водорода с массовыми числами 1 и 2.

10. Каков состав ядер натрия , фтора и менделевия , кюрия и радия , ниобия и свинца ?

 

Выполните эти задания письменно в тетради, обосновывая свой ответ