87. Радиоактивное излучение. Типы ядерных распадов. Законы радиоактивного распада. Его характеристики.

Французский физик А. Беккерель (1852—1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри — Мария (1867—1934) и Пьер — обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсив­ность излучения урана. Таким образом удалось выделить два новых элемента — носи­теля беккерелевского излучения: полоний Рo и  радий Ra.

Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением, а само явле­ние — испускание радиоактивного излучения — радиоактивностью.

Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивного излучения препара­та не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механи­ческое давление, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра.

В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атом­ных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактив­ности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Типы радиоактивного распада

(правила смещения)

Альфа-распад

Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием a-частиц, называетсяальфа-распадом. Теория создана  Г.А. Гамовым в 1930-32 г. на основе квантово-механического туннельного эффекта.

 

Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра явля­ется образование двух протонов и двух нейтронов. Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия связи, то оно по­кинет ядро в виде a-частицы.

 

Если   — материнское ядро, то превращение этого ядра при a.-распаде происходит по следую­щей схеме (правило смещения):   где  —символ дочернего ядра;  —ядро атома гелия  ; hv - квант энергии, испускаемой ядром.

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

 

 

Например:

Бета-распад  Теория создана в 1930г. Энрико Ферми.

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 β- распаде химический элемент пере­мещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электро­нов, испускается антинейтрино,

 

 

На­пример:

 

Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

 

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют α-лучи, в меньшей степени— β-лучи и совсем плохо — γ-лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у α-лучей (лист бумаги; несколько сантиметров слоя воздуха), а β-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ-лучей (например, для алюминия - пластины толщиной десятки сантиметров).

Закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди.

Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т. е. период полураспада Т данного вещества. Например, для ядра   период T=1600 лет. Следовательно, если взять 1г Ra, через 1600 лет его будет 1/2 г, а через 3200 лет— 1/4 г. Таким образом, исходное количество радия должно обратится в нуль спустя бесконечный промежуток времени.

 

Математическое выражение

Пусть число радиоактивных атомов N₀, время t=0.

Через t₂=T число нераспавшихся ядер                    N=N₀/2

Через t₂=2T останетсяN=N₀/2²,

Через t₃-=3T таких ядер окажетсяN=N₀/2³— и т. д.

Следо­вательно, в конце промежутка времени  t= nT нераспавшихся ядер останется N=N₀/2ⁿ . Так как n=t/T, то  . Это закон, которому подчиняется распад большого количества радиоактивных ядер.

У радиоактивных элементов Т имеет различную величину, например,   имеет период полураспада Т=1,4.10¹⁰ лет, а у криптона   период полураспада Т=1,4 с. У искусственно созданных элементов с Z > 100 период полураспада составляет сотые и тысячные доли секунды.