Является ли радиоактивным распадом ионизация атома

Радиоактивность

Является ли радиоактивным распадом ионизация атома

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ : радиоактивность, альфа-распад, бета-распад, гамма-излучение, закон радиоактивного распада.

Явление радиоактивности обнаружил французский физик Анри Антуан Беккерель, и произошло это совершенно случайно.

В начале 1896 года всё научное сообщество было охвачено интересом к недавно открытым всепроникающим рентгеновским лучам. Беккерель решил выяснить, не появляются ли рентгеновские лучи при освещении солнечным светом некоторых минералов, и выбрал для своих экспериментов весьма редкую соль урана.

Опыт Беккереля был чрезвычайно прост. Кристаллы соли выставлялись на солнце и лежали при этом на фотопластинке. Разумеется, фотопластинка заворачивалась в чёрную бумагу, чтобы её не засветил солнечный свет. Но чёрная бумага – не помеха рентгеновским лучам, и если они действительно возникают, то засветят фотопластинку.

Итак, Беккерель положил завёрнутую фотопластинку с насыпанной поверх урановой солью на солнечный свет, подержал несколько часов и затем проявил фотопластинку. Ожидания подтвердились! После проявления на фотопластинке проступили очертания кристаллов соли урана.

Полагая, что и впрямь обнаружись рентгеновские лучи, испускаемые урановой солью под действием солнечного света, Беккерель доложил об этом на заседании Французской академии. Доклад вызвал большой интерес, и было решено, что на следующем заседании, то есть через неделю, Беккерель расскажет о результатах новых опытов.

А погода тем временем испортилась, и солнце на всю неделю скрылось за облаками. Медный крест, покрытый урановой солью и приготовленный для опытов, в ожидании солнца несколько дней пролежал в ящике письменного стола – поверх фотопластинки, завёрнутой в чёрную бумагу.

Накануне нового доклада облачность так и не рассеялась, и докладывать Беккерелю было нечего. Однако отчаяние и удачу порой разделяет лишь один шаг. Неизвестно почему, но Беккерель решил проявить фотопластинку, лежавшую в столе. Каково же было его удивление, когда он увидел проступившие на ней почернения в виде отчётливой тени креста!

Таким образом, солнце оказалось совершенно ни при чём. Было обнаружено новое явление природы: урановая соль без каких-либо внешних факторов, сама по себе испускает некоторое излучение, пронизывающее чёрную бумагу.

На следующий день Беккерель доложил об этом на заседании Французской академии и затем приступил к интенсивным исследованиям. В ходе своих экспериментов он обнаружил мследующие черты нового явления.

-Новые лучи могут проникать сквозь предметы и ионизировать воздух.-Засвечивают фотопластинку только те вещества, которые содержат уран.

-Интенсивность излучения зависит только от количества урана в веществе. Само химическое соединение при этом роли не играет. Максимально интенсивным является излучение чистого урана.

Новое явление было впоследствии названо радиоактивностью. Из опытов Беккереля следовало, что радиоактивность есть свойство химического элемента урана самого по себе – то есть свойство, которым обладают атомы урана.

Уран оказался не единственным радиоактивным элементом. Мария Склодовская-Кюри спустя два года после открытия Беккереля обнаружила аналогичное излучение тория.

Вместе с мужем, Пьером Кюри, они открыли новый радиоактивный химический элемент – полоний.

Наконец, вручную переработав 11 тонн руды, Мария Склодовская-Кюри получила маленькую капельку чистого радия, который излучал в три миллиона раз интенсивнее урана.

Виды радиоактивных излучений

Каков состав радиоактивного излучения? Оказалось, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, различающихся по своим физическим свойствам. Эти три компоненты обнаруживаются в результате пропускания радиоактивного излучения солей урана через сильное магнитное поле (рис. 1).

Рис. 1. Виды радиоактивных излучений

А именно, излучение радиоактивного препарата, находящегося внутри свинцового контейнера с узким каналом, направляется на фотопластинку. В отсутствии магнитного поля на фотопластинке наблюдается одно тёмное пятно.

Но если пропустить излучение сквозь область магнитного поля, то пятен становится три – одно на прежнем месте и два по бокам от него на разных расстояниях.

Это означает, что радиоактивное излучение в магнитном поле распалось на три существенно различные части.

То, что две компоненты отклонились в разные стороны, означает, что они являются соответственно потоками положительных и отрицательных зарядов. Третья компонента, не отклоняющаяся магнитным полем, электрического заряда не несёт.

Положительно заряженной компоненте была присвоена буква ; её называли -излучением, -лучами или потоком -частиц. Альфа-лучи достаточно слабо отклонялись магнитным полем. Тщательные исследования Резерфорда показали, что -частицы – это полностью ионизованные атомы гелия, то есть ядра гелия.

Отрицательно заряженная компонента была названа -излучением (или -лучами
). Они отклонялись магнитным полем значительно сильнее, чем -частицы. Бета-лучи оказались потоком электронов, мчащихся со скоростями, близкими к скорости света.

Нейтральная компонента получила название -излучения (или -лучей). (Электромагнитная природа гамма-излучения была установлена экспериментально: обнаружилась дифракция гамма-лучей на кристаллических решётках. Эти же опыты позволили измерить и длину волны гамма-излучения.

Гамма-лучи оказались электромагнитными волнами чрезвычайно высокой частоты – выше, чем у рентгеновского излучения.) Соответственно, проникающая способность гамма-лучей также больше, чем у рентгеновских лучей.

Среди трёх компонент радиоактивного излучения наибольшей проникающей способностью также обладают гамма-лучи – они могут пробиться сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров.

Сильнее поглощаются веществом бета-лучи: тут хватит нескольких миллиметров свинца, чтобы поглотить их полностью. Слабее всего проникают сквозь вещество -частицы: они не могут, например, пройти через лист бумаги

Радиоактивные превращения

Многочисленные эксперименты с радиоактивными веществами показали, что радиоактивность сопровождается изменениями атомов, и в результате этих изменений одни химические элементы превращаются в другие.

Положение химического элемента в таблице Менделеева определяется числом электронов в нейтральном атоме, или, что то же самое – зарядом ядра атома. Поэтому превращения химических элементов означают, что в результате радиоактивных процессов изменения претерпевают атомные ядра.

Ядра атомов радиоактивных элементов являются нестабильными. Каждое такое ядро в некоторый момент распадается, поэтому явление радиоактивности называют ещё радиоактивным распадом.

В процессе радиоактивного распада исходное вещество постепенно исчезает. Новые вещества, являющиеся продуктами распада, также могут быть нестабильными и распадаться дальше. Наблюдаются целые цепочки радиоактивных распадов – вплоть до образования стабильных элементов.

Самой известной такой цепочкой является радиоактивное семейство урана. Начинается эта цепочка с альфа-распада ядра , в результате которого образуется ядро тория и вылетает -частица:

. (1)

Затем родившееся ядро тория испытывает бета-распад, испуская электрон и превращаясь в ядро протактиния :

. (2)

Обратите внимание, что электрону приписывается зарядовое число -1 (так как заряд электрона равен -e) и массовое число 0 (так как электрон не содержит нуклонов).

В обеих формулах (1) и (2) мы наблюдаем два важных момента.

-Сумма массовых чисел продуктов распада равна массовому числу исходного ядра. Этот баланс массовых чисел отражает неизменность общего числа нуклонов до и после распада.

-Сумма зарядовых чисел продуктов распада равна зарядовому числу исходного ядра. Этот факт служит одним из многочисленных экспериментальных подтверждений закона сохранения заряда.

Поскольку -частица уносит заряд +2e, а электрон уносит заряд -e , то возникает следующая закономерность превращения химических элементов при – и -распадах.

Правило смещения. После -распада элемент смещается на две клетки назад, то есть к началу периодической системы. После -распада элемент смещается на одну клетку вперёд, то есть к концу периодической системы.

Общие формулы, выражающие правило смещения при альфа- и бета-распадах, выглядят так:

,

.

Формулы (1) и (2) – это самое начало радиоактивного семейства урана. Всего в этой цепочке происходит восемь -распадов и шесть -распадов (причём при каждом -распаде вдобавок излучается -квант), пока в самом конце цепочки не образуется стабильное ядро свинца .

Излучение всех элементов радиоактивного семейства урана как раз и засветило фотопластинку Беккереля, и именно эта смесь излучений была впервые разложена на компоненты в магнитном поле (рис. 1).

Закон радиоактивного распада

Нестабильное ядро распадается самопроизвольно (или, как ещё говорят, спонтанно). Происходит это в случайный момент времени, так что невозможно предсказать, когда именно распадётся каждое конкретное ядро.Тем не менее, ядра каждого элемента обладают определённым средним временем жизни, характерным для данного элемента.

А именно, опыт показывает, что распад радиоактивного элемента происходит со строго определённой, присущей именно этому элементу скоростью.

Скорость распада у разных элементов различна; она является такой же неотъемлемой характеристикой радиоактивного элемента, как зарядовое или массовое число.

Вне зависимости от условий опыта можно точно сказать, спустя какой промежуток времени интенсивность излучения данного элемента уменьшится, например, в два раза.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина имеющихся радиоактивных атомов. Период полураспада как раз и является количественной характеристикой скорости радиоактивного распада.

Величина периода полураспада может быть очень разной. Например, период полураспада урана равен 4,5 млрд. лет, радия – 1600 лет, полония -138 дней, а у инертного газа радона – он составляет всего 3,8 суток.

Выведем теперь закон радиоактивного распада, а именно – найдём, как зависит от времени количество атомов, не претерпевших пока радиоактивный распад. Начальное число радиоактивных атомов равно , период полураспада равен .

Имеем следующую простую цепочку рассуждений.

Спустя время количество оставшихся атомов будет равно

.

Спустя время атомов останется

.

Спустя время атомов останется

.

Становится ясно, что спустя время атомов останется

.

Поставляя сюда , получим:

.

Отбрасывая индекс k, находим число оставшихся атомов в зависимости от времени:

. (3).

Мы получили закон радиоактивного распада. Количество нераспавшихся атомов оказывается показательной функцией, убывающей с течением времени.

Непосредственной характеристикой скорости распада радиоактивного элемента является активность – число радиоактивных распадов, происходящих в единицу времени. Активность есть производная по времени от числа распавшихся атомов:

.

Обозначая множитель перед показательной функцией через (это будет активность в начальный момент времени), получим:

.

Мы видим, что зависимость активности от времени имеет точно такой же вид, как и закон радиоактивного распада (3). График зависимости активности от времени приведён на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость активности от времени

Ясно, что активность убывает тем быстрее, чем меньше период полураспада. И наоборот, при большом периоде полураспада активность меняется медленно. Например, активность радона (T= 3,8 суток) уменьшается буквально на глазах, а активность солей урана (T= 4,5 млрд.лет) остаётся практически неизменной на протяжении человеческой жизни.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/radioaktivnost/

История открытия

Антуан Анри Беккерель

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл лучи, обладающие огромной проникающей способностью и названные в его честь рентгеновскими.

 Эти лучи представляли собой поток электронов, который испускался катодом (отрицательно заряженным электродом) электронно-вакуумной трубки во время высоковольтного разряда.

Ударяясь в анод (положительно заряженный электрод) они вызывали жёлто-зелёное свечение.

Так как явление люминесценции (свечения вещества) всегда сопровождает рентгеновское излучение, то у французского физика Антуана Анри Беккереля, дед и отец которого также были известными учёными-физиками, возникла мысль, не является ли люминесценция причиной возникновения рентгеновских лучей.

Нужно сказать, что Беккерель изучал различные светящиеся вещества и знал, что светиться они начинают, только если на них предварительно воздействовать солнечным светом. Его опыт состоял в следующем.

Завернув в плотную чёрную бумагу фотографическую пластинку, учёный положил на неё уранилсульфат калия и подверг воздействию солнечных лучей.

Проявив через несколько часов фотопластинку, он обнаружил на ней очертания кристаллов соли и решил, что урановая соль испускает рентгеновские лучи.

Но вскоре Беккерель понял, что ошибся. Во время следующего опыта на фотопластинку был положен медный крест, покрытый урановой солью. Так как небо в этот день было затянуто тёмными тучами, то проводить эксперимент не представлялось возможным.

Пришлось спрятать пластинку в ящик стола. Непогода длилась несколько дней. Не дождавшись хорошей погоды, Беккерель проявил пластинку. Каково же было его удивление, когда он обнаружил на ней очертания креста.

Значит, вовсе не люминесценция была причиной неизвестного излучения.

Впоследствии выяснилось, что пластинку засвечивали только вещества, содержащие уран. Кроме того, оказалось, что излучение чистого урана в несколько раз выше излучения его солей. Лучи назвали лучами Беккереля. Позднее супруги Кюри обнаружили, что такие же лучи способен излучать и химический элемент торий, а также открытые ими элементы полоний и радий.

Природа радиоактивности

Радиоактивный распад 

Изучая открытое Беккерелем излучение, физики выяснили, что большинство существующих ядер нестабильны и способны распадаться и превращаться в ядра других, более стабильных, элементов, испуская при этом частицы, которые обладают большой проникающей способностью. Этот процесс называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью, а вещества, содержащие радиоактивные ядра, – радиоактивными.

В результате распада ядер одного вещества образуются ядра совершенно нового вещества.

Ядро, подвергающееся радиоактивному распаду, называют материнским, а ядро, возникшее в результате распада, – дочерним. Дочернее ядро более устойчиво, чем материнское. Однако оно тоже может оказаться радиоактивным и через некоторое время распадётся. Процесс распада может продолжаться до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Наиболее устойчивы ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Лёгкие и тяжёлые ядра менее устойчивы.

Для элементов с порядковым номером Z (зарядовым числом, или количеством протонов в ядре), превышающим 82, и массовым числом А ˃ 209 стабильных ядер не существует вообще. Все эти элементы радиоактивны.

Но и среди лёгких элементов встречаются такие, у которых нет стабильных изотопов, или имеющие и стабильные, и радиоактивные изотопы.

Виды радиоактивного распада

Виды радиоактивного излучения

Ядра радиоактивных элементов самопроизвольно испускают 3 типа лучей, которые по-разному отклоняются в электромагнитном поле.

Поток частиц, ведущих себя как положительно заряженные частицы, назвали альфа-лучами. Поток частиц, отклоняющихся, как отрицательно заряженные частицы, получил название бета-лучей.

  Третий поток, на который поле не оказывало влияния, был назван гамма-излучением.

Альфа-распад

В процессе альфа-распада из ядра вылетают α-частицы, каждая из которых состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов и представляет собой ядро элемента гелия 42Не.

В результате ядро, имеющее зарядовый номер Zи массовое число А превращается в ядро элемента с зарядовым числом Z – 2 и массовым числом А – 4.

Элемент сдвигается на 2 клетки влево в таблице Менделеева.

Пример α-распада радия:

Бета-распад

Бета-излучение – это поток электронов.

Откуда же они берутся в ядре, которое состоит из протонов и нейтронов?                                                                                                                                                   Оказывается, не несущий заряда нейтрон может превращаться в протон, излучая электрон. Но так как суммарная энергия возникших протона и электрона меньше энергии нейтрона, из которого они образовались, то возникло предположение, что часть энергии забирает какая-то частица. Эту частицу назвали нейтрино (от итальянского neutrino — нейтрончик). Её обнаружили только в 1953 г. Позднее физики определили, что существует несколько разновидностей нейтрино: электронное нейтрино/электронное антинейтрино, мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино, тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино.

При β-распаде образуется электронное антинейтрино.

Так как зарядовое число Z становится равным Z + 1, то элемент сдвигается на единицу вправо в таблице Менделеева.

К примеру, в результате бета-распада изотоп тория превращается в элемент палладий:

Бета-распад называют также электронным распадом, или бета-минус-распадом.

В 30-е годы ХХ века физики открыли бета-плюс-распад, или позитронный распад, в результате которого из ядра вылетают античастица позитрон, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона, и электронное нейтрино.

Испуская позитрон, один из протонов превращается в нейтрон. Общее количество нуклонов в ядре остаётся прежним, поэтому его массовое число не изменяется. А зарядовое число ядра уменьшается на единицу.

Элемент сдвигается влево на одну позицию в таблице Менделеева.

Гамма-распад, или изомерное излучение

Испускание фотона ядром атома

Подобно атому, ядро может находиться в разных возбуждённых состояниях. Исключение составляют ядра 1H, 2H, 3H и 3He.

При возврате из возбуждённого состояния в основное излучается γ-квант. Гамма-излучение сопровождает все типы радиоизлучений.

Ядер, излучающих только γ-частицы, в природе очень мало. Их называют изомерами. И если большинство ядер могут оставаться в возбуждённом состоянии наносекунды, то изомеры – сутки, месяцы и даже годы. Чаще всего изомеры переходят из возбуждённого состояния в основное, излучая только γ-кванты. Но для них возможен β- и α-распад. 

Гамма-кванты – это фотоны с высокой энергией. Таким образом, γ-излучение – это жёсткое, коротковолновое электромагнитное излучение. Его свойства близки к свойствам рентгеновского излучения, но проникающая способность гораздо выше.

Γамма-излучение не изменяет ни зарядового, ни массового чисел ядра.

Радиоактивность и человек

Очень часто мы путает понятия радиоактивность и радиация. Радиация – это ионизирующее излучение, т. е. распространение энергии в виде волн или частиц. А радиоактивность – это способность атомов испускать эту самую радиацию. Все радиоактивные вещества – источники радиации.

Радиоактивность существующих в природе неустойчивых изотопов, называют естественной радиоактивностью. Источниками естественной радиации являются космические объекты, почва, вода, горные породы. Любой предмет или материал также может быть источником радиации, если содержит неустойчивые радиоактивные изотопы.

Искусственной называют радиоактивность изотопов, которые образуются в результате ядерных реакций.

Воздействию радиации мы подвергаемся постоянно. Влияние радиоактивного излучения на организм человека зависит от интенсивности этого излучения. Если она находится в пределах безопасности, то вреда человек не получит. Другое дело, если доза облучения велика. В этом случае здоровью человека может быть нанесён непоправимый вред.

Открытие радиоактивности имело огромное значения для дальнейшего развития науки. Человек научился использовать радиоактивное излучение в медицине, промышленности, военном деле, энергетике и других областях своей деятельности.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/fizika-atoma-i-atomnogo-yadra/656-radioaktivnost

Конспект

Является ли радиоактивным распадом ионизация атома

Раздел ОГЭ по физике: 4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада.

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.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.

Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков.

Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц.

Их назвали β-частицами.

Изучение этих излучений позволило сделать вывод, что α-частицы — это ядра атома гелия. Их массовое число — 4, а зарядовое число (электрический заряд) +2, т.е. 

β-частицы представляют собой электроны. Их массовое число равно 0, а зарядовое число равно –1, т.е. 

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.

Альфа–распад. Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием альфа–частиц (ядер гелия ).

Если  – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–распаде происходит по следующей схеме (правило смещения):  , где  – символ дочернего ядра;  – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета–распад. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, согласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется:  .

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение. Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в меньшей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи.

Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров.

Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (например, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

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.

Конспект урока «Радиоактивность. Излучения».

Следующая тема: «Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома».

Источник: https://uchitel.pro/%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F/

Особенности распада радиоактивных атомов

Является ли радиоактивным распадом ионизация атома

Радиоактивностью в физике называют самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, сопровождающийся выбросом α-частиц, β-частиц, γ-лучей, протонов и прочих фрагментов нуклеарного деления. Изменение массы, заряда и внутренней структуры ядер радиоактивных атомов (радионуклидов) приводит к образованию новых элементов и уменьшается экспоненциально по мере течения времени.

Немного истории и терминологии

Французский физик Беккерель в 1896 году исследовал возможность взаимосвязи явления люминесценции и открытых недавно рентгеновских лучей.

При этом выяснилось, что вещества, в состав которых входил тяжёлый металл уран, испускали невидимое для человеческого глаза излучение.

Оно вызывало потемнение фотографических светочувствительных пластин и беспрепятственно проникало через дерево и бумагу.

Другие знаменитые французские исследователи, супруги Кюри, обнаружили способность создавать аналогичные лучи у элементов тория и полония и назвали это естественной радиоактивностью.

В 1898 году им удалось выделить из урановой смолки новый элемент — радий, значительно превзошедший уран и оказывавший сильное действие на человеческий организм в виде ионизирующего излучения.

Энергия его частиц была настолько велика, что в тканях и веществах создавались разноимённые ионы.

Ядерной реакцией называются комплексы последовательных превращений, происходящих в атомном ядре под воздействием ускоренных элементарных частиц (нуклонов) и других ядер. Потоки, сопровождающие радиоактивный распад, называются ядерными или ионизирующими. Но рентгеновские и ультрафиолетовые частицы тоже ионизируют окружающую среду, поэтому грамотнее использовать термин «ядерное излучение».

Радионуклиды — активные изотопы, их характеризует постоянный период полураспада: от миллисекунд до нескольких миллиардов лет.

Значение радиоактивности измеряют в Беккерелях, иногда ещё применяют единицу Кюри, а содержание показателя в веществе оценивают по отношению к весу или объёму. Критерием ионизационного воздействия радиоактивного излучения на объект является экспозиционная доза, которая измеряется в Рентгенах.

Динамика процесса распада

Периодическая таблица Д. И. Менделеева насчитывает свыше ста химических элементов, и многие совмещают стабильные и радиоактивные формы — изотопы. Сегодня изучено порядка 2 тыс.

радионуклидов с одинаковыми атомными номерами, но различными массовыми числами, а около 300 из них — стабильные.

Стабильные изотопы существуют неопределённо долго, нестабильные со временем претерпевают изменения.

Языкария и сумасшедшие порождения слов

При распаде радионуклида расщеплению подвергается ядро, которое находится в центре и представляет собой объединение нуклонов (протонов и нейтронов), окутанное густым электронным облаком.

Протоны обладают положительным зарядом и сообщают его атомному ядру, а нейтроны заряда не имеют. Отрицательно заряженные электроны вокруг ядра движутся вращательно по орбите, где их удерживает сила притяжения его положительного заряда.

Одноимённо заряженные протоны отталкиваются и пытаются удалиться друг от друга. Если атом обладает невысокой массой и всего несколькими протонами, у него достаточно сил для поддержания стабильного состояния. Но крупные ядра, например, урана-238 с 92 протонами, не могут длительное время сохранять равновесие и проявляют свойство радиоактивности.

Когда неустойчивое ядро исторгает в пространство частицу, возникает новое — дочернее. Оно может уже оказаться стабильным, и распад на этом завершится. Но если протонов много, то выбросы продолжаются до образования стабильного ядра. Такая реакция носит имя цепочки распадов, а последовательность полученных изотопов называется радиоактивным рядом.

Типы возникающих частиц

Соли урана при экспериментах Резерфорда в 1899 году испускали лучи трёх видов, по-разному реагировавших на действие магнитного поля. Они получили наименования альфа, бета и гамма, применяющиеся до сих пор:

  1. Лучи, которые вели себя как потоки частиц положительного заряда, обозначили α (альфа). Самопроизвольный альфа-распад начинается у тяжёлых атомов с массовым числом более 140. В результате элементы смещаются в начало таблицы Менделеева на 2 клетки, а массы образовавшихся ядер снижаются на 4 единицы. Альфа-частицы не проникают через слой бумаги и человеческую кожу, но их большая доза вызывает ожог, а вдыхание или проглатывание излучателей приводит к радиационным поражениям органов.
  2. Лучи, проявившие свойства потока частиц с отрицательным зарядом, назвали β (бета). По окончании β-распада химический элемент отодвигается к концу таблицы Менделеева на 1 клетку, а его атомная масса не изменяется. Бета-частицы — это отделившиеся от расщеплённого ядра электроны, оставившие после себя протоны. Будучи во много раз меньше, чем α-частицы, они обладают значительно большими способностями проникновения: свободно проходят через многочисленные бумажные слои, но поглощаются древесиной. Глубокие структуры эпидермиса тоже задерживают β-частицы, легко преодолевшие его поверхностные слои. Это служит причиной тяжёлых ожогов, обширных поражений тканей и органов.
  3. Лучи, которые не реагировали на магнитное поле, назвали γ (гамма). Они возникали, когда возбуждённое изомерное состояние ядра атома начинало распадаться до основного, поэтому процесс испускания γ-квантов обозначили термином «изомерный переход». Гамма-излучение подобно рентгеновскому и представляет собой потоки квантов огромной энергии, имеющих одинаковую с видимым светом электромагнитную природу. Обладая исключительной проникающей способностью, оно преодолевает бумажные и деревянные преграды и поглощается только каменной кладкой или свинцовыми пластинами. Человеческое тело γ-лучи проходят беспрепятственно, вызывая лучевые повреждения на клеточном уровне.

В 2018 году Южная Корея начала строительство системы Hyperloop

При дальнейших исследованиях были выявлены и другие частицы, сопровождающие атомный распад. Кластерную радиоактивность, спонтанное деление, выбросы нейтронов, позитронов и протонов сегодня рассматривают как промежуточные процессы альфа-распада и изучают возможности практического применения.

Радиоактивные природные излучатели

Следы естественных радионуклидов самостоятельно обнаруживаются в различных объектах флоры и фауны, и около семидесяти из них составляют тяжёлые металлы: хром, железо, марганец.

Радиоактивными являются изотопы всех элементов с атомной массой свыше 82, не встречающихся в стабильном состоянии.

Измерение естественной радиоактивности помогает изучать свойства и микроструктуру различных веществ, служит мощным инструментом исследований жизни на земле и в глубинах мирового океана. Естественные радионуклиды можно разделить на три условные группы:

  1. Первая объединяет природные радиоактивные изотопы семейства актиноидов, уранового и радиевого рядов. Их характеризует последовательность превращений и твёрдый или газообразный вид промежуточных продуктов распада.
  2. Во вторую входят химические элементы, связанные генетически, но не образующие семейств. Это радионуклиды калия, кальция, рубидия, циркония, лантана, самария, лютеция. Именно первый из них и обуславливает максимальные значения природного радиоактивного фона.
  3. К третьей группе относят космогенные радионуклиды, которые под воздействием космических лучей образуются в земной атмосфере, с дождями и снегом попадают на почву и вступают в реакции с минералами земной коры. Сюда входят изотопы трития, бериллия и углерода.

Природные излучатели пребывают в рассеянном состоянии, срок жизни их велик, а период полураспада составляет от 108 до 1016 лет.

Солнце — естественный источник рентгеновского излучения, но слои земной атмосферы обеспечивают от него надёжную защиту.

Интересно, что человек тоже немного радиоактивен — в тканях тела содержатся природные радионуклиды калия и рубидия, а способов избавления от них пока нет.

Хуже то, что около 80% времени жизни людей протекает в помещениях из материалов, имеющих естественный радиационный фон.

Управляемое расщепление атома

Превращения в цепочках химических элементов и возникновение искусственных радионуклидов стало возможным при создании мощных источников энергии, соизмеримых с силами внутриядерных связей. Бомбардировка высокоскоростными частицами, образовавшимися при радиоактивном излучении, уже в 1919 г. британскому физику Резерфорду позволила впервые расщепить ядро атома азота.

Почему Марс кажется с Земли красным

Эффективность α-частиц полония в этом эксперименте доказала миру, что искусственные ядерные реакции возможны путём выбивания протонов из состава ядра: пропускание α-лучей через облако газообразного азота приводило к образованию атомов изотопа кислорода и протонов водорода.

Сегодня расщепление атомов происходит двумя видами частиц:

  • нейтральными, полученными посредством ядерных реакторов;
  • заряженными, разогнанными в специальных ускорителях.

Всем ядерным реакциям сопутствует излучение элементарных субатомных частиц, а продукты распада проявляют радиоактивность. К таким выводам пришли в 1934 году французские учёные Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, когда получили искусственные радиоактивные изотопы ряда элементов, в природных условиях до этого обладавших стабильностью.

Для первых экспериментов использовали алюминий, магний и бор. Под действием α-частиц из атома алюминия выбивались нейтроны, это приводило к образованию радиоактивного изотопа фосфора.

А он, в свою очередь, излучал позитроны и превращался в кремний. Новый распад, которого не бывает у естественных изотопов, был назван позитронным.

Дальнейшие исследования показали, что искусственные радионуклиды получаются бомбардировкой не только альфа, но и другими частицами.

Сегодня один и тот же изотоп получается несколькими способами, что позволяет наносить «метки» на атомы практически всех элементов периодической системы.

Меченые атомы получили распространение в различных научных и практических областях медицины, химии, физики, биологии.

При промышленном получении искусственных радионуклидов применяют бомбардировку ускоренными ядерными частицами или разделение смеси изотопов, что позволяет создать обогащённую и обеднённую фракции.

Добыча продуктов разложения естественных радионуклидов менее распространена и стоит дороже.

Япония разработает роботов-строителей для работы на планете Марс

Универсальное лекарство или яд

Новым излучением, вызывающим ожоги, на заре открытия радиоактивности попытались оперативно лечить опухоли. Нетрадиционная медицина пошла дальше и объявила радиоактивные вещества панацеей.

Обнаруженные в горячих источниках, они якобы придавали воде лечебные свойства, обещая умственное и физическое здоровье.

В начале XX века появились коммерческие продукты с радиоактивными элементами: посуда, косметика, лекарства, средства гигиены и светящиеся краски.

Заявленный положительный эффект сомнителен: польза малых порций радиации современными исследователями однозначно не доказана, а опасность больших доз сомнений не вызывает.

Их воздействие провоцирует нарушения обменных процессов, инфекционные осложнения и лейкемию.

Префикс «лучевой» дал начало ряду новых терминов: лучевой ожог, лучевое бесплодие, лучевая катаракта, лучевая болезнь.

Иногда в средствах массовой информации раздувается настоящая радиационная истерия, создавая образ беспощадного врага: незримого, коварного и смертельно опасного.

К таким выпадам надо относиться спокойно и осознанно: наукой ещё не открыты механизмы злокачественных перерождений тканей от внешних воздействий, но известен реальный ущерб, который наносят здоровью выбросы сталелитейных заводов и химических предприятий.

В обычной жизни вероятность контакта с источником радиации, угрожающим здоровью, чрезвычайно мала. О радиоактивности стоит задуматься, если ожидается:

  • покупка земельного участка, квартиры или дома;
  • проведение строительных и отделочных работ;
  • выбор и приобретение материалов для ремонта;
  • благоустройство прилегающей территории (газонные почвогрунты, покрытия спортивных площадок, тротуарная плитка).

Экспериментально рассчитано, что в ближайшие пятьдесят лет загрязнение от аварии на Чернобыльской АЭС в общей дозе, получаемой населением заражённых областей, не превысит 2%, зато на долю естественной радиоактивности придётся до 60% этого количества.

Интересно, что по американской шкале относительной опасности для людей, радиация находится всего лишь на 26 месте, а первые две позиции занимают тяжёлые металлы и токсичные химические вещества.

Источник: https://rocca.ru/nauka-i-obrazovanie/osobennosti-raspada-atomov

Сведения по ядерной физике

Является ли радиоактивным распадом ионизация атома

Всякое излучение сопровождается выделением энергии. Например, если ткань тела подвергнута облучению, то часть энергии будет передана атомам, которые составляют эту ткань.

Излучение, несущее достаточное количество энергии, способно к удалению (вырыванию) электронов из атомов. Этот процесс называется ионизацией, а само излучение – ионизирующим излучением. Излучение должно обладать достаточной энергией для ионизации, тогда его можно характеризовать как ионизирующее.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул.

Нестабильные нуклиды стремятся перейти в устойчивое состояние. Они могут выделять свою избыточную энергию в процессе распада. Распад означает, что радиоактивный нуклид испускает ионизирующее излучение в форме частиц или электромагнитных волн (гамма- квантов).

В быту ионизирующее излучение ошибочно называется радиоактивным излучением. Правильное выражение – ионизирующее излучение.

В этом курсе мы рассмотрим процессы альфа-, бета- и гамма-излучения. Все они происходят из атомного ядра.

Альфа-излучение

На рисунке 1.9 нестабильное ядро находится в процессе излучения своей избыточной энергии в форме испускания частицы, которая является ядром гелия, то есть она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Эта частица называется, альфа – частица и ее символом является – греческий символ α

Альфа-излучение – положительно заряженные ядра гелия, обладающие высокой энергией.

Ионизация

На рисунке 1.10 альфа-частица проходит близко от атома.

Когда альфа-частица проходит в непосредственной близости от электрона, она притягивает его и может вырвать с нормальной орбиты. Атом теряет электрон и таким образом преобразовывается в ион. Так альфа-частицы обычно ионизируют вещество.

Ионизация атома требует приблизительно 30-35 эВ электрон-вольт (eV) энергии. Таким образом, альфа-частица, обладающая 5 000 000 эВ энергии в начале ее движения может стать источником создания более чем 100 000 ионов прежде, чем она приходит в состояние покоя.

Масса альфа-частиц в 7 000 раз больше массы электрона. Поэтому, большая масса альфа-частиц определяет прямолинейность их прохождения через электронные оболочки атомов при ионизации вещества.

Альфа-частица теряет маленькую часть своей первоначальной энергии на каждом электроне, который она отрывает из атомов материи, проходя через нее.

Кинетическая энергия альфа-частицы и ее скорость при этом непрерывно уменьшается. Когда вся кинетическая энергия потрачена, частица приходит в состояние покоя.

Только в этот момент она захватит два электрона и, преобразовавшись в атом гелия, теряет свою способность ионизировать материю.

Бета-излучение

На рисунке 1.11 показан пример излучения бета – частицы, которая обозначается β. Бета-излучением является процесс испускания электронов непосредственно из ядра атома.

Электрон в ядре создается при распаде нейтрона в протон и электрон. Протон остается в ядре, в то время как электрон испускается как бета-излучение.

Гамма-излучение

Символом гамма-излучения является – γ.

Гамма-излучение не состоит из частиц, как альфа- и бета-излучения. Оно также как свет Солнца представляет собой электромагнитную волну.

Рисунок 1.13 Испускание атомом гамма-излучения.

Как правило, гамма-излучение сопутствует излучению какого-либо другого вида излучения, так как в природе практически не встречаются вещества, излучающие только гамма- кванты. Гамма-излучение отличается от рентгеновского излучения природой происхождения, длиной электромагнитной волны и частотой.

Все о медицине
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: