Как используется явление радиоактивного распада
Как используется явление радиоактивного распада
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 • 10 8 атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10 8 ядер, а 2 • 10 8 ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10 8 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10 8 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».
Что такое радиоактивность?
Реакция нашего мозга на слово «радиоактивность» часто сводится к миру супергероев, которые кружат по городу, превращаются в человеческий огненный шар или сокрушают негодяев. Или, возможно, ваш мозг вызывает очень темный пост-апокалиптический мир после ядерных осадков.
Итак, что случилось? Как такое, казалось бы, чудесное открытие превратилось в монстра под нашей кроватью, который пугает людей по всему миру?
Почему некоторые элементы радиоактивны?
Подобно тому, как ваше тело посредством серии расширений и сокращений вытесняет раздражающее вещество во время чихания, нестабильные изотопы элементов выбрасывают различные частицы или формы энергии, чтобы восстановить баланс между силами в их ядрах. В процессе достижения стабильности они превращаются в новое ядро.
Как ядро подвергается радиоактивному распаду?
Ядро может подвергнуться ядерному или радиоактивному распаду из-за испускания альфа-, бета- или гамма-излучения (а иногда и комбинации всех трех).
Альфа-частицы относительно тяжелые. Они могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров и их легко остановить листом бумаги или пластика.
Бета-частицы обладают большей энергией и проникающей способностью, чем альфа-частицы, но обладают меньшей ионизацией по своей природе. Они могут путешествовать по воздуху, но их можно остановить с помощью тонкого листа металла или даже защитной одежды.
Это форма высокоэнергетического света, излучаемого ядром, которое остается в более высоком энергетическом состоянии после того, как произошел процесс альфа- и бета-распада, но все же должно вернуться в более стабильное более низкое энергетическое состояние.
Ядро может подвергнуться всем этим распадам спонтанно и превратиться в стабильную форму за секунды, а может потребоваться дни, годы или даже столетия. Эта скорость определяется периодом полураспада радиоактивного вещества, то есть количеством времени, которое требуется радиоактивному веществу для распада до половины своего первоначального значения.
Нельзя говорить о радиоактивности без упоминания Марии Кюри. Ее запечатанная свинцом и сильно радиоактивная лаборатория, записные книжки, кулинарные книги и мебель были заражены радием и будут заражены в течение следующих 12 000 лет или около того. Тем не менее они являются свидетельством ее вклада в эту область и причиной двух Нобелевских премий.
Лабораторная тетрадь Марии Кюри.
Открытие радиоактивности и радиоактивных элементов Марией и Пьером Кюри вместе с Анри Беккерелем в начале 1900-х годов открыло дверь в совершенно новую область атомной физики. Этот шаг вперед в конечном итоге привел к открытию различных компонентов атомов и ядерной энергии.
Радиоактивные элементы, такие как уран-235 и плутоний-239, бомбардируются нейтронами, которые выделяют огромное количество энергии. При правильном манипулировании внутри ядерного реактора это топливо может действовать как длительный источник энергии. Килограмм урана-235 может произвести почти 24 миллиона киловатт-часов энергии путем ядерного деления, тогда как 1 кг угля может произвести только 8 киловатт-часов энергии. Правильное использование этого источника энергии может решить глобальную проблему увеличения выбросов углекислого газа.
Однако «ахиллесовой пятой» здесь является безопасная утилизация использованного радиоактивного топлива и широко распространенный страх перед ядерными авариями.
То, что произошло на Чернобыльском реакторе несколько десятилетий назад, по сей день потрясает человечество. Один инцидент, связанный с расплавлением реактора, и целые акры земли стали непригодными для проживания в течение нескольких поколений, не говоря уже о тысячах жизней, подвергшихся неизгладимым последствиям радиационного отравления.
Власти построили вокруг реактора саркофаг из бетона, чтобы предотвратить утечку радиации в атмосферу. Кроме того, остатки реактора находятся внутри защитной оболочки с толстыми стальными стенками.
Реактор Фукусима, пострадавший от цунами в 2011 году, вынудил эвакуировать тысячи людей в радиусе 20 км от места происшествия. Власти все еще очищают прилегающую территорию, а также убирают и утилизируют верхний слой почвы в пострадавшем регионе.
Эффекты радиоактивности
Вредное воздействие радиоактивных веществ может повлиять на наш организм косвенно через радиационное облучение или напрямую через контакт или проглатывание.
Радиационное воздействие
Радиоактивный материал в процессе распада испускает ионизирующее излучение, которое может легко превратить нейтральные атомы в положительно заряженные ионы, сбивая их электроны. Когда живое существо подвергается такому высокоэнергетическому излучению, оно не делает человека радиоактивным или сверхмощным, но делает его склонным к радиационному отравлению.
Радиационное отравление ядерным излучением может легко повредить молекулярную структуру ДНК и нанести вред живым клеткам. Тяжелая или продолжительная доза может оказаться смертельной, поскольку эти лучи являются канцерогенными.
Радиоактивное загрязнение
Поскольку радиоактивное вещество находится в непосредственном контакте с внутренней или внешней частью тела, такая форма проникновения увеличивает опасность в два раза. Оно не только подвергает организм воздействию радиационного отравления, но и вызывает внутренние повреждения, воздействуя на определенные части тела.
Наше тело принимает радиоактивный радий за кальций при приеме внутрь. Затем он продолжает заменять кальций в нашем организме радием, что приводит к некрозу костей и зубов. При попадании внутрь уран в основном поражает почки.
Всегда ли радиоактивность вредна?
В токсикологии есть поговорка, что «доза делает любую вещь не ядовитой». Хотя воздействие нерегулируемых количеств радиоактивного материала может вызвать серьезные генетические мутации и рак, при регулировании они также могут вылечить рак. Радиоактивный йод используется в лучевой терапии для лечения рака и для визуализации щитовидной железы. Радиоактивный технеций используется для обнаружения пороков сердца, костей и других органов.
Человечество и радиоактивность мирно сосуществовали на протяжении веков. Воздух, которым мы дышим, бананы в наших коктейлях и указатели выхода содержат радиоактивные элементы… но в безопасных количествах! Технически, мы тоже радиоактивны, так как в нашем организме есть очень незначительные количества радиоактивных изотопов калия и углерода. Радиоактивность есть повсюду, и жизнь навсегда остается в долгу перед ней за то, что она держит наше земное ядро поджаренным и обеспечивает нам защиту под уютным магнитным пузырьком.
Однако гипотетически, если вы в конечном итоге отправляетесь в поход в неизвестную страну, и счетчик Гейгера в вашей сумке начинает издавать громкий треск, вам, вероятно, следует просто начать бежать!
Радиоактивность
Известно 2500 атомных ядер, и 90 % из них являются нестабильными.
Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
В дальнейшем за изучение природы радиоактивных излучений принимались многие ученые, например, Э. Резерфорд со своими учениками. Было обнаружено, что радиоактивные ядра способны испускать три вида частиц: положительно заряженные, отрицательно заряженные и нейтральные.
Рассмотрим подробнее существующие виды радиоактивного распада.
Альфа-распад
Ra 88 226 → Rn 86 222 + He 2 4
Квантовая механика гласит, что существует неравная нулю вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования носит вероятностный характер.
Бета-распад
В результате измерений было выявлено, что при бета-распаде наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, поскольку суммарно энергия протона и электрона, появившихся при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули предположил выделение при распаде нейтрона еще одной частицы с нулевыми значениями массы и заряда, уносящей с собой часть энергии.
Нейтрино (маленький нейтрон) – частица с нулевыми значениями массы и заряда, возникающая при распаде нейтрона. Была открыта в 1953 году.
Нейтрино плохо взаимодействует с атомами вещества, поскольку не обладает зарядом и массой, и вследствие этого ее обнаружение в ходе эксперимента очень затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино является настолько малой, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 к м пути. На данный момент известно, что существует несколько типов нейтрино.
Электронный антинейтрино – частица, возникающая вследствие распада нейтрона и обозначаемая v e
Запись реакции распада нейтрона выглядит так:
Позитрон является частицей-двойником электрона, отличающейся от него лишь знаком заряда.
Существование позитрона предсказывалось еще в 1928 г. великим физиком П. Дираком. Спустя несколько лет позитрон обнаружили, как составляющую космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции преобразования протона в нейтрон по следующей схеме:
p 1 1 → n 0 1 + e 1 0 + v e 0 0
Гамма-распад
Закон радиоактивного распада
Любой образец радиоактивного вещества имеет в своем составе множество радиоактивных атомов. Поскольку для процесса радиоактивного распада характерна случайность, не зависящая от внешних условий, то закономерность в убывании количества N ( t ) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер становится важнейшей статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.
Это выражение означает, что скорость d N d t изменения функции N ( t ) прямо пропорциональна самой функции.
Такая зависимость имеет место во многих физических процессах (к примеру, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения дает возможность записать экспоненциальный закон:
Величины τ и Т связаны друг с другом соотношением:
Радиоактивное излучение всех типов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают сильнейшее биологическое воздействие на живые организмы. Это воздействие включает в себя процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул, составляющих живые клеток. Воздействуя на клетки, ионизирующая радиация разрушает сложные молекулы и клеточные структуры, следствием чего является лучевое поражение организма, а потому крайне важны меры радиационной защиты людей, работающих с неким источником радиации и имеющим шанс попасть в зону действия излучения.
Радиоактивность
теория по физике 🧲 квантовая физика
Радиоактивность — некоторых атомных ядер превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы и электромагнитное излучение.
Как была открыта радиоактивность
Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он изучал урановые соли, когда впервые столкнулся с необычным явлением. В феврале 1896 года Беккерель подготовил несколько кристаллов урановой соли и закрепил их на фотопластинки, завернутые в бумагу. Но затем он заметил, что погода слишком пасмурная, и решил провести опыт в другое время. По его мнению, для его проведения нужен был более яркий солнечный свет.
Фоточувствительные пластины ученый спрятал в темный ящик стола. Там они пролежали несколько суток. Когда погода прояснилась, Беккерель захотел проявить эти пластинки. Он рассчитывал увидеть на них слабые изображения. Но каким было его удивление, когда он увидел очень четкие изображения. Так ученый обнаружил, что соли урана могут излучать без всякого светового воздействия извне.
Продолжив изучение урановых солей, Беккерелю так и не удалось понять природу необычного излучения. Однажды ученый задал вопрос Пьеру Кюри, которому продемонстрирован опыт с урановой солью: «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль». Далее это явление стали изучать Пьер Кюри и его жена Мария Склодовская-Кюри. Спустя 2 года супругам удалось обнаружить еще два химических элемента, которые обладали похожими свойствами. Ими оказались полоний и радий.
Радий — элемент, который на Земле встречается очень редкою. Чтобы получить 1 грамм чистого радия, нужно переработать не менее 5 тонн урановой руды. Причем радиоактивность этого вещества в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Лишь несколько лет спустя было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Изучая самопроизвольное излучение этих элементов, супруги Кюри дали ему название — радиоактивность.
Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений
Изучением радиоактивного излучения также занимался английский физик Эрнест Резерфорд. Он первый поставил эксперимент, который позволил обнаружить сложный состав этого излучения. Ученый собрал установку, изображенную на рисунке ниже.
Резерфорд поместил препарат радия на дно узкого канала в куске свинца. Напротив открытого конца канала он расположил фоточувствительную пластинку. В результате излучение от радия исходила из канала и попадало на эту пластинку. Но ученый расположил магнит так, что излучающимся частицам приходилось проходить сквозь созданное им магнитное поле. Для чистоты эксперимента вся установка помещалась в сосуд с откачанным воздухом (в вакуум).
Если магнит убрать, то на фотопластинке обнаруживалось лишь одно темное пятно напротив канала. Но если вернуть магнит на место, то пучок распадается на 3 части. Причем одна часть первичного потока сохранила свое направление (пятно получилось напротив пластинки), а две другие его составляющие отклонялись в противоположные стороны.
Как это можно объяснить? Известно, что в магнитом поле меняют свое направление движения только заряженные частицы. Следовательно, опыт продемонстрировал наличие электрических зарядом у двух пучков (у одного из них заряд оказался нейтральным, так как направление изменено не было). Узнать знак этих пучков можно, применив правило левой руки. Так, один из них оказался положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным.
Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения. Их разделили на 3 вида и дали им следующие названия:
В чем же заключается физическая сущность явления радиоактивности? Чтобы ответить на вопрос, нужно провести исследование самого радиоактивного вещества.
Опыты по изучению радиоактивности, проводимые Резерфордом вместе с английским ученым Ф. Содди, дали понять, что во время радиоактивного излучения исходный химический элемент превращается в другое химический элемент. Такое превращение ученые назвали радиоактивным распадом.
Радиоактивный распад — превращение радиоактивного вещества в другой химический элемент, сопровождающееся радиоактивным излучением.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.
Символически α-распад можно записать так:
Внимание! Фактически при β-распаде один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона.
Для записи формулы используем формулу:
Зарядовое число уменьшится на 2: 92–2 = 90. Этому порядковому номеру соответствует вещество торий.
Массовое число уменьшится на 4: 238–4 = 234.
Закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.
Период полураспада — промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер.
К примеру, если в некоторый момент времени вещество состоит из N ядер, то через время T, равное периоду полураспада ядер, останется N/2 ядер. В таком случае, через время, равное 2T останется еще вдвое меньше ядер — N/2. И т.д.
Эту закономерность можно записать в виде формулы, которая получила название закона радиоактивного распада:
N — число ядер в момент времени t, N0— исходное число ядер, T — период полураспада.
Пример №2. Период полураспада радия составляет 1600 лет. Через какое время число атомов уменьшится в 4 раза?
Для вычислений применим формулу:
По условию задачи период полураспада равен 1600. Следовательно:
t = 2 · 1600 = 3200 ( л е т )
Дан график зависимости числа нераспавшихся ядер висмута 203 83Bi от времени. Каков период полураспада этого изотопа?
Алгоритм решения
Решение
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Пациенту ввели внутривенно дозу раствора, содержащего изотоп 11 24 Na. Активность 1 см 3 этого раствора а0 = 2000 распадов в секунду. Период полураспада изотопа 11 24 Na равен T = 15,3 ч. Через t = 3 ч 50 мин активность 1 см 3 крови пациента стала а = 0,28 распадов в секунду. Каков объём введённого раствора, если общий объём крови пациента V = 6 л? Переходом ядер изотопа 11 24 Na из крови в другие ткани организма пренебречь. Ответ записать в куб. см.