Превращения атомных ядер. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения При радиоактивных превращениях происходят изменения
На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.
Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда
Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.
Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.
В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.
Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:
Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.
Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .
Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.
Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:
. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.Рис. 2. Альфа-распад
При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.
Рис. 3. Бета-распад
Список дополнительной литературы
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука
Радиоактивностью называется способность атомных ядер превращаться в другие ядра с испусканием спектра частиц. Если превращение ядер происходит спонтанно (самопроизвольно), то радиоактивность называют естественной.
Если распад осуществляется искусственно, то радиоактивность искусственная.
Радиоактивность была открыта французским физиком Беккерелем в 1896 г., который впервые наблюдал испускание ураном проникающих излучений.
В1890 Резерфорд и Содди использовали
естественную радиоактивность
(тория),
а также радиоактивность легких элементов,
вывели ряд закономерностей.
I. Естественная радиоактивность сопровождается тремя видами излучения.
1.
-излучение
представляет поток положительно
заряженных-частиц.
Поток ядер
.
3.
-излучение
– электромагнитное излучение с короткой
длиной волны ~ рент. лучей
Å.
II. Радиоактивность обусловлена внутренним строением ядер и не зависит от внешних условий
Более того, распад каждого ядра не влияет на распад других ядер.
III. Различные радиоактивные вещества сильно различаются между собой по количеству используемых радиоактивных излучений.
Радиоактивные вещества принято характеризовать количеством распадов в единицу времени.
Активность радиоактивного вещества
Оказалось, что количество распадов в секунду ~ общему количеству атомов радиоактивного вещества, то есть
- показывает, что число рад.ат. убывает
- постоянная радиоактивности и характеризует активность распада элемента
После интегрирования
- закон радиоактивного распада(Резерфорд)
- первоначальное количество радиоактивных ядер
- число нераспавшихся ядер к м.в.t
Продолжительность жизни радиоактивных ядер принято характеризовать периодом полураспада, то есть промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшится вдвое.
Исходя из этого определения легко найти связь между периодом полураспада и постоянной распада
среднее время жизни радиоактивных ядер определяется выражением
после интегрирования легко получит
,
то есть период полураспада ядер
В экспериментах обычно измеряют активность вещества, то есть число распада ядер в 1 сек.
Однако чаще всего используется внесистемная единица
Существуют ядра с очень большим периодом
полураспада (Уран 9500 лет) и существуют
ядра и периодом полураспада несколько
секунд (
- 5730 лет)
- распад – распад атомных ядер cиспусканием - частиц. Этот вид радиоактивности характерен для элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. В настоящее время насчитывается около 40 естественных и более 100 искусственно вызванных - излучателей. Однако все элементы -распада заPв
то есть в результате -распада заряд ядра уменьшается на 2 ед., а А - на 4
Получаем
- распад имеет 2 особенности
1. Постоянная распада и энергия вылетевшей -частицы оказались взаимосвязанными и подчиняется закону Гейгера Неттола
В 1 иВ 2 – эмпирические постоянные
Закон показывает, что чем меньше продолжительность жизни, тем больше энергия вылетевшей -частицы.
2. Энергия
-частиц
при распаде заключена в узких пределах
от
,
что значительно меньше энергии, которую
-частица должна
бы получить после
-распада
при ускорении в электрическом поле
ядра.
Энергия -частицы оказалась малой по сравнению с потенциальным барьером ядра.
3. Наблюдается тонкая структура излучаемых -частиц, то есть наблюдается некоторое распределение по энергии вблизи некоторого среднего значения. Причем это распределение дискретно.
Электронный захват
Занимает энергию у других нуклонов.
-распад был объяснен только по завершению построения квантовой механики и объясняется с ее позиции. Классической трактовке он не поддается.
- глубина потенциальной ямы, высота потенциального барьера 30 М эв
Согласно классической механики
-частицы
(Е
) не
могут преодолеть потенциальный барьер.
В ядрах уже существуют по одной
-частице,
которые движутся внутри ядра с энергией
.
Если бы не было потенциального барьера,
то
-частица
покинула бы ядро с энергией
- энергия, которую она потратила бы на преодоление сил притяжения в ядре.
Однако в силу того, что ядро имеет
оболочку, которая приводит к увеличению
потенциального барьера приблизительно
на 30 М эв (см. черт.), то
-частица
может покинуть ядро. Только просочившись
через потенциальный объект. Согласно
квантовой механики частица, обладающая
волновыми свойствами, может просачиваться
через потенциальный барьер без затрат
энергии. Явление называетсятуннельным
эффектом
.
Применение
-распада
обусловлено тем, что вероятность
просачивания
-частиц
через барьер зависит от размеров ядер.
Можно оценить размеры ядра, зная энергию
-частицыЕ
.
Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.
Во-первых
, удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения.
На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась.
На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления.
Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.
Во-вторых
, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии.
Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр.
В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался.
Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж.
И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!
Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия?
По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений.
Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать.
Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее.
В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов.
Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала.
И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.
Итак, при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.
Остановимся на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.
Резерфорд обнаружил, что активность
тория, определяемая как число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле.
Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается.
Ученый предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.
Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность.
Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.
Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом.
Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.
Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.
Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям.
В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается.
В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица.
В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-излучением.
Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества.
Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.
Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».
После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.
Ведь α-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.
Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.
Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц .
Правило смещения
Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения
, сформулированному впервые Содди.
При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса М убывает примерно на четыре атомные единицы массы.
В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа.
Например, водород обозначается символом
Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.
При β-распаде из ядра вылетает электрон
В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при β-распаде часть энергии.
Образованием антинейтрино сопровождается β-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.
После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы.
.
Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.
Итак,
при радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.
В 1903 г. (т. е. ещё до обнаружения существования атомных ядер) Резерфорд и его сотрудник, английский химик Фредерик Содди, обнаружили, что радиоактивный элемент радий в процессе α-распада (т. е. самопроизвольного излучения α-частиц) превращается в другой химический элемент - радон.
Радий и радон отличаются по своим физическим и химическим свойствам. Радий - металл, при обычных условиях он находится в твёрдом состоянии, а радон - инертный газ. Атомы этих химических элементов отличаются массой, зарядом ядра, числом электронов в электронной оболочке. Они по-разному вступают в химические реакции.
Дальнейшие опыты с различными радиоактивными препаратами показали, что не только при α-распаде, но и при β-распаде происходит превращение одного химического элемента в другой.
После того как в 1911 г. Резерфордом была предложена ядерная модель атома, стало очевидным, что именно ядро претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Действительно, если бы изменения затрагивали только электронную оболочку атома (например, потеря одного или нескольких электронов), то при этом атом превращался бы в ион того же самого химического элемента, а вовсе не в атом другого элемента, с другими физическими и химическими свойствами.
Реакция α-распада ядра атома радия с превращением его в ядро атома радона записывается так:
где знаком обозначено ядро атома радия, знаком - ядро атома радона и знаком - α-частица, или, что то же самое, ядро атома гелия (т. е. ядра атомов обозначаются так же, как и сами атомы в таблице Д. И. Менделеева).
Число, стоящее перед буквенным обозначением ядра сверху, называется массовым числом, а снизу - зарядовым числом (или атомным номером).
Массовое число ядра атома данного химического элемента с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра. Напомним, что одна атомная единица массы (сокращённо 1 а. е. м.) равна 1/12 части массы атома углерода.
Зарядовое число ядра атома данного химического элемента равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде этого ядра. (Напомним, что элементарным электрическим зарядом называется наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный по модулю заряду электрона.)
Можно сказать и так: зарядовое число равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах.
Оба эти числа - массовое и зарядовое - всегда целые и положительные. Они не имеют размерности (т. е. единиц измерения), поскольку указывают, во сколько раз масса и заряд ядра больше единичных.
По уравнению реакции можно увидеть, что ядро атома радия в результате излучения им α-частицы теряет приблизительно четыре атомные единицы массы и два элементарных заряда, превращаясь при этом в ядро атома радона.
Эта запись является следствием того, что в процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения массового числа и заряда: массовое число (226) и заряд (88) распадающегося ядра атома радия равны соответственно сумме массовых чисел (222 + 4 = 226) и сумме зарядов (86 + 2 = 88) ядер атомов радона и гелия, образовавшихся в результате этого распада.
Таким образом, из открытия, сделанного Резерфордом и Содди, следовало, что ядра атомов имеют сложный состав, т. е. состоят из каких-то частиц. Кроме того, стало ясно, что радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Вопросы
- Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- и β-распада? Приведите примеры.
- Какая часть атома - ядро или электронная оболочка - претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?
- Чему равно массовое число; зарядовое число?
- На примере реакции α-распада радия объясните, в чём заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.
- Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?
- Что такое радиоактивность?