Тема 1.2 Радиоактивность элементов и его использование

Цель, форма работы: ознакомление с явлением радиоактивности и его использованием в технике, ответить на вопросы.

Вопросы рекомендуемые для рассмотрения: радиоактивность. Использование радиоактивных изотопов в технических целях. Рентгеновское излучение и его использование в технике и медицине

Список рекомендуемой литературы:

1. Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. проф. учеб. заведений / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М., 2005.

2.Габриелян О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2005.

3.Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2006.

4. Глинка Н.Л. Общая химия.-Л.:Химия,1988.

5.Потапов В.М.Химия.-М.: Высшая школа, 1985.

Теоретические основы:

П редставление об атомах как неизменных мельчайших частицах вещества было разрушено открытием электрона, а также явления естественного радиоактивного распада, открытого французским физиком А. Беккерелем. Значительный вклад в изучение этого явления внесли выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри. История радиоактивности началась с того, как в 1896 году французский физик Анри Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей. Открытие радиоактивности, наиболее яркое свидетельство сложного строения атома. Радиоактивность - способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению. Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на α-частицы, β-частицы и γ-лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны). Классический опыт показан на рисунке. Радиоактивный препарат помешался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное пучку. Вся установка размещалась в вакууме.

В отсутствие магнитного поле на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала, а в магнитном поле пучок распадался на 3 пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это определенно указывало на наличие у этих составляющих электрических зарядов противоположных знаков; отрицательная компонента излучения отклонялась в магнитном поле гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получило название альфа-лучей, отрицательно заряженная – бета-лучи и нейтральная – гамма-лучи.

Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Таким образом, в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что β – частица представляет собой электрон, а α – частица – полностью ионизированный атом химического элемента гелия (т.е. атом гелия, потерявший оба электрона).Кроме того выяснилось, что радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц. Так, например, было найдено несколько разновидностей атомов урана: с массами ядер, приблизительно равными 234 а.е.м., 235 а.е.м., 238 а.е.м. и 239 а.е.м. Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами. Они одинаковым образом вступали в химические реакции, образуя одни и те же соединения. При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами. При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи бывают разных видов и обладают различной проникающей способностью. Например, поток нейтронов проникает через слой свинца толщиной в несколько метров. Наличие одних и тех же химических свойств означает, что все эти атомы имеют одинаковое число электронов в электронной оболочке, а значит, и одинаковые заряды ядер.

Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер назвали изотопами.

Излучение	Заряд	Проник. способность	Примеры	Природа
α	+	min	бумага <0,1 мм пробег в воздухе 3-9 см алюминий – 0,05 мм	Поток атомных ядер гелия 42Не υ= 14.000 - 20.000 км/с
β	-	чуть > α	Пробег в воздухе 40 см свинец – 3 см	Поток электронов 0-1e υ≈ 300.000 км/с
γ	0	max	пробег в воздухе неск. сот метров свинец – до 5 см тело человека пронизывают насквозь	Поток коротких эл-магн. волн (фотонов) υ= 300.000 км/с

Радиоактивные изотопы, встречающие в природе, называются естественными. Но многие химические элементы встречаются в природе только в стабильном (т.е. радиоактивном) состоянии. В 1934 году французские ученые Ирен и Фредерик Жолио – Кюри обнаружили, что радиоактивные изотопы могут быть созданы искусственным путем в результате ядерных реакций. Такие изотопы назвали искусственными. Впоследствии были получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 2000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них – естественные.

Фредерик Содди вместе с Резерфордом разработал в 1902-1903 г. теорию радиоактивного распада и сформулировал закон радиоактивных превращений. Сформулировал α – правило. В 1913 г. установил правило смещения при радиоактивном распаде: α – распад: ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м. Элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы.

AZХ α → A-4Z-2Y + 42He

β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной. Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.

AZХ β → AZ+1Y + 0-1e

Несмотря на то, что в ядрах электронов нет, приβ – распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона

10n → 11p + 0-1e + υ (υ - антинейтрино)

γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало.

Контрольные вопросы:

1. Чему равно число нейтронов в ядре урана.

2. По данным таблицы химических элементов Д.И. Менделеева определите число протонов в ядре молибдена.

3. Какое вещество из перечисленных используется в ядерных реакторах в качестве ядерного горючего? (уран, графит, кадмий, тяжёлая вода)

4. Как используются радиоактивные изотопы в технических целях?

5. Почему в магнитном поле радиоактивное излучение распалось на три пучка?

6. Какова природа α-частицы? Каков ее заряд и масса?

7. Что представляют собой β-частицы?

8. По правилу β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной. Как же из ядра вылетают электроны, если их там нет?

9. Что называется радиоактивностью?

10. Какие известные вам законы сохранения выполняются при радиоактивных превращениях?

11. Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает α-частицу. Какой элемент при этом образуется?

12. Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает β-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?

13. Протактиний ²³¹₉₁Рa α –радиоактивен. С помощью правил «сдвига» и таблицы элементов Менделеева определите, какой элемент получается с помощью этого распада.

14. В какой элемент превращения уран ²³⁹₉₂U после двух β – распадов и одного α – распада?

15. Написать цепочку ядерных превращений неона:  β, β, β, α, α, β, α, α

Порядок проверки, защиты самостоятельной работы: проверка рабочей тетради.