Модуль 3

Комплексная цель: изучение природы естественной радиоактивности элементов.

Краткое изложение программного материала: в модуле вводятся основные понятия, характеризующие радиоактивность веществ. Подробно рассматриваются различные виды радиоактивных излучений, их свойства и способы наблюдения заряженных частиц. Приводятся основные принципы работы различных типов ускорителей заряженных частиц. Охарактеризованы основные преимущества и недостатками каждого вида ускорителя.

Содержание модуля 3

3 Естественная радиоактивность

Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. Радиоактивность обнаруживается у некоторых тяжелых элементов, расположенных в конце периодической системы Менделеева («естественная радиоактивность»), но она может быть вызвана и у легких элементов при бомбардировке ядер этих элементов («искусственная радиоактивность»).

Естественная радиоактивность была открыта Беккерелем. Было обнаружено, что естественной радиоактивностью обладают всего около 40

элементов.

3.1 Виды радиоактивных излучений

Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов: 1) альфа-лучей (α-частиц), бета-лучей (β-частиц) и гамма-лучей (γ-лучи). Изучение их показало, что:

1) α -частицы отклоняются электрическим и магнитным полем и несут положительный заряд 2е; они легко поглощаются тонкими слоями вещества. Эти частицы представляют собой ядра атомов гелия;

2) β -частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, несут отрицательный заряд е, обладают более высокой проникающей способностью, чем α-лучи. Они представляют собой поток быстрых электронов;

3) γ -лучи не отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают очень большой проникающей способностью. Эти лучи подобны рентгеновским лучам, но являются более коротковолновыми.

Радиоактивность, при которой наблюдается альфа-излучение, называется α -распадом, при бета-излучении — β-распадом.

Радиоактивность есть ядерный процесс; радиоактивность данного элемента не изменяется, если элемент вступает в какие-либо химические соединения.

На основании законов сохранения массы и электрического заряда были сформулированы правила, называемые правилами смещения, при помощи которых можно установить массовое число и заряд ядра нового элемента, возникающего в результате α - или β –превращения.

Так как α -частица есть ядро гелия, то она несет заряд +2 единицы и его массовое число равно 4 единицам. Следовательно, возникающий в результате α -распада элемент имеет ядро с зарядом на две единицы меньше, а массовое число на 4 единицы меньше, чем исходное. Новый элемент расположен в таблице Менделеева на два номера ближе к началу таблицы, чем исходный.

Например, при α-распаде радия имеем: ^M_Z ²³⁴₈₈Ra →⁴₂He + ²²²₈₆Rn. Cлева внизу указаны порядковые номера элементов в таблице Менделеева,

т.е. заряды их ядер, а вверху массовые числа (Rn – благородный газ радон).

При β-распаде заряд полученного ядра увеличивается на единицу, а масса его практически не меняется, так как масса электрона в 1836 раз меньше массы протона. Следовательно, вновь возникающий элемент по отношению к исходному расположен в периодической системе на один номер дальше. Например, ²³⁴₉₀Th →²³⁴₉₁Pa + β^-, где β -электрон.

Химические элементы, отличающиеся массовыми числами, но имеющие один и тот же заряд атомных ядер и потому занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, называются изотопами. Ядерные свойства изотопов одного и того же элемента различны, но их химические свойства почти одинаковы.

Для характеристики радиоактивности вводится период полураспада Т, время в течение которого начальное число атомов данного элемента уменьшается в два раза (от долей секунды до миллиардов лет).

Правила смещения позволили установить, что все природные радиоактивные элементы в последних рядах таблицы Менделеева являются членами трех «радиоактивных семейств».

1. Семейство урана-радия ²³⁸₉₂U — ²⁰⁶₈₂Рb. В нем первичным элементом является ²³⁸₉₂U. В результате 14 радиоактивных превращений, 8 из которых α-превращения и 6 — β-прев ращения, он дает устойчивый изотоп свинца ²⁰⁶₈₂Рb. Массовые числа элементов, входящих в это семейство, могут быть выражены формулой М = 4n. + 2, где n — целое число, поэтому семейство урана-радия часто называют семейством (4n+2).

2. Семейство тория ²³⁴₉₀Th — ²⁰⁸₈₂Рb, или семейство с М = 4n. Первым членом этого ряда является торий 23490Th с периодом полураспада 1,39•10¹⁰ лет, конечным—изотоп свинца ²⁰⁸₈₂Рb.

3. Семейство актиния ²³⁵₉₂U — ²⁰⁷₈₂Рb, или семейство с М = 4n+3, имеет родоначальником актино-уран ²³⁵₉₂U с периодом полураспада

7,3•10⁸ лет; конечный устойчивый продукт его — изотоп свинца ²⁰⁷₈₂Рb.

В связи с открытием большого числа искусственных радиоактивных изотопов было обнаружено еще одно радиоактивное семейство с формулой М = 4n +1. Оно начинается транс-урановым элементом — нептунием ²³⁷₉₃Np с периодом полураспада 2,2•10⁶ лет и заканчивается устойчивым изотопом висмута ²⁰⁹₈₃Bi.

Наблюдения показывают, что с течением времени активность данного радиоактивного вещества уменьшается. Было установлено, что распад атомов — явление случайное: имеется некоторая вероятность распада каждого атома радиоактивного элемента за определенный промежуток времени.

В силу этого можно сказать, что в единицу времени из наличного количества атомов всегда распадается определенная часть, которую обозначают через λ и называют постоянной распада данного радиоактивного элемента. Если имеется N атомов, то за 1 с распадается из них λN атомов, а за время dt: dN=- λNdt - дифференциальная форма закона распада. Интегрируя это выражение, получим: N=N₀e^-λt , где N₀ —число атомов в начальный момент при t = 0; N — число атомов, оставшихся по истечении времени t.

Постоянная распада λ=- dN/Ndt равна относительному уменьшению числа атомов в единицу времени или вероятность распада атома за единицу времени. Из формулы закона радиоактивного распада следует, что период Т полураспада связан с λ соотношением:

Т=ln2/λ = 0,693/λ (N=N₀/2= N₀e^-λT ; e^λT = 2; λT = ln2)

Число атомов, распадающихся в одну секунду, называется активностью элемента. Активность А выражается следующими формулами: А=|dN/dt|=λN= λN₀e^-λT ; A=Nln2/T.

Следовательно, активность обратно пропорциональна периоду полураспада и, будучи пропорциональна имеющемуся числу атомов N, убывает со временем по экспоненциальному закону.

Единицей радиоактивности служит кюри; это есть активность, при которой происходит 3,7•10¹⁰ распадов в одну секунду.

Единица активности соответствует определенному числу распадов в 1 с, а не определенному количеству радиоактивного вещества. Так, 1 кюри соответствует активности 1 г радия или 3 т урана-238. Чем меньше период полураспада, тем меньшее количество вещества необходимо для получения единицы активности.