Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строение атома и элементы квантовой физики. Учебное пособие
.pdf
1.5. Радиоактивные превращения химических элементов
21
5. Испускание радиоактивных излучений сопровождается выделени-
ем значительного количества энергии и может происходить спонтанно в
течение длительного времени.
Контрольные вопросы
1. Какой состав имеет радиоактивное излучение?
2. Как магнитное поле влияет на составляющие радиоактивного из-
лучения?
3. Почему в экспериментах по отклонению радиоактивного излучения
полями радиоактивный препарат помещают внутрь свинцового цилиндра?
4. Что такое проникающая способность? Расположите α-, β- и γ-лучи в
порядке убывания проникающей способности.
5. Как был проведен эксперимент, в котором Вийар обнаружил γ-лучи?
6. Рассчитайте энергию рентгеновского фотона, имеющего частоту
5∙1016 Гц.
7. Как было доказано, что радиоактивные вещества излучают энергию?
8. Как было измерено количество энергии, испускаемой радием в
единицу времени?
9. Какова мощность излучения одного грамм-атома радия по данным
Пьера Кюри?
1.5. Радиоактивные превращения
химических элементов
В 1902–1903 гг. Э. Резерфорд совместно с другим будущим нобелевским лауреатом Ф. Содди [6] (1877–1956) исследовали свойства радиоактивных металлов урана, тория и радия и обнаружили, что в процессе испускания радиоактивного излучения образуются новые, отсутствовавшие
в исходном препарате химические вещества, химические и физические
свойства которых существенно отличаются от исходных веществ. В результате длительных исследований радиоактивного тория они установили,
что в процессе испускания радиоактивных излучений образуется некоторое вещество, которое обладает активностью примерно в 1 000 раз боль-
1. Радиоактивность
22
шей, чем сам торий. Они также установили, что активность этого вещества
не остается постоянной, а быстро убывает. Таким образом, радиоактивность тория определяется в любой момент двумя процессами: образованием с постоянной скоростью этого нового радиоактивного вещества и
уменьшением с течением времени его активности.
Опыты с радием также показали, что в колбе с радиоактивным препаратом образовывался некий газ, который поначалу называли «эманацией
радия», а позже радоном. Радон оказался инертным газом с атомной массой 218 и зарядом, равным 86. Он также обладал свойством радиоактивности, однако радиоактивность радона, в отличие от радия или урана, в течение нескольких часов исчезала. С течением времени в запаянной колбе с
радоном появлялось значительное количество гелия, что подтверждалось
спектроскопическим исследованием. Это указывало на то, что радон также
испускает α-лучи.
Резерфорд и Содди выдвинули смелое предположение о том, что радиоактивность является результатом разрушения атома. Так, атом радия
расщепляется на α-частицы и какие-то другие вещества, которые в свою
очередь превращаются в радон (этот газ сначала назвали эманацией радия). Затем радон также распадается, испуская α-частицы и превращается
в вещества, не являющиеся радиоактивными. Похожая картина наблюдалась ими и в опытах с торием и ураном.
Э. Резерфорд так сформулировал идею о превращениях химических
элементов при радиоактивном распаде [7]: «На основании полученных в
настоящее время данных, можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием α-лучей, т.е. вырыванием из атома тяжелой
заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются
испусканием α-лучей. Хорошо известный элемент радий происходит от
урана и является пятым продуктом в ряду его превращений».
Ф. Содди сформулировал так называемый «закон смещения», согласно которому в результате испускания α-частицы один химический элемент
превращается в другой, имеющий атомную массу на четыре единицы
меньше, а заряд – на две единицы меньше и, как следствие, занимающий в
таблице Менделеева позицию на две клетки «ниже». В результате испус-
1.5. Радиоактивные превращения химических элементов
23
кания β-частицы химический элемент превращается в другой, имеющий
заряд – на одну единицу больше и занимающий в таблице Менделеева позицию на одну клетку «выше».
«Закон смещения» Содди поначалу вызвал сомнения в научной среде,
потому что в результате его применения получались атомы, имеющие
«правильный» заряд и порядковый номер в таблице Менделеева, но «неправильную» массу. Однако после открытия в 1910 г. изотопов, т.е. атомов с одним и тем же порядковым номером, но с разными массами, все
сомнения рассеялись. Согласно теории Резерфорда и Содди, с учетом существования открытых позднее нестабильных изотопов тория (Th), протактиния (Pa), радона (Rn), астата (At), висмута (Bi) и свинца (Pb), возник-
новение радия
из урана
можно записать в виде такой последо-
вательности превращений:
Далее из радия получается полоний
:
И, наконец, полоний превращается в нерадиоактивный свинец
:
Индексы над стрелками указывают, какие частицы испускаются в том или
ином процессе.
В настоящее время такие превращения химических элементов назы-
ваются распадами.
При α-распаде из ядра атома вылетает α-частица и заряд ядра умень-
шается на 2 единицы, а масса уменьшается на 4 единицы. При β-распаде
из ядра атома вылетает электрон и заряд ядра возрастает на 1 единицу. Это
согласуется с «правилами смещения» Ф. Содди.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте «правило смещения» Ф. Содди.
2. Дайте определение радиоактивности.
1. Радиоактивность
24
3. Приведите примеры α- и β- распадов. Как меняются в этих
процессах масса ядра и заряд ядра?
4. Какой атом появился в результате превращения урана
, если
он испытал три α- распада и два β-распада?
5. Записать уравнение ядерной реакции β-распада для изотопа
свинца
.
1.6. Закон радиоактивного распада
В ходе своих исследований радиоактивных превращений химических
элементов Резерфорд и Содди выяснили важные свойства активности радиоактивных элементов. Во-первых, активность каждого из радиоактивных продуктов не зависит от наличия или отсутствия других радиоактивных продуктов. Во-вторых, активность каждого из продуктов уменьшается со временим по закону геометрической прогрессии. Отсюда следует,
что скорость превращения, т.е. число распадов в единицу времени всегда
пропорциональна числу нераспавшихся атомов N:
(1.1)
Формула (1) выражает закон радиоактивного распада. Знак «минус» в
этой формуле указывает на то, что число нераспавшихся атомов убывает.
Величина λ называется постоянной радиоактивного распада. Она характеризует активность вещества. Выясним ее физический смысл. Из (1.1)
следует, что
(1.2)
Таким образом, постоянная распада λ равна среднему числу распадов,
приходящемуся на один радиоактивный атом в секунду. Ее также можно
трактовать, как вероятность распада данного радиоактивного атома в единицу времени. При распаде число нераспавшихся атомов N убывает, поэтому производная в (1.2) отрицательна, а вероятность распада – положительное число.
1.6. Закон радиоактивного распада
25
Пусть у нас в момент времени t = 0 имеется некоторое число радиоак-
тивных атомов N0. Найдем число нераспавшихся атомов N к моменту времени t. Для этого формулу (1) перепишем в виде
и проинтегрируем по времени от 0 до t, а по числу атомов от N0 до N:
Получим:
(1.3)
В формуле (1.3) N – число радиоактивных атомов, не распавшихся за время t, N0 – исходное число радиоактивных атомов, λ – постоянная распада.
Эту формулу тоже можно считать математическим выражением закона
радиоактивного распада.
Для более наглядного описания процесса радиоактивного распада
была введена новая характеристика – период полураспада. Период полураспада – время, в течение которого распадается половина всех радиоактивных атомов, и количество радиоактивного вещества уменьшается в
2 раза. Период полураспада разных радиоактивных веществ изменяется в
очень широких пределах от 10
–17
с до 1022 лет. Из-за большого периода
полураспада урана, радия и других веществ первоначально считалось, что
активность радиоактивных веществ постоянна. Только с открытием радона исследователи столкнулись с ситуацией, когда активность вещества заметно убывает в ходе эксперимента.
Запишем формулу закона радиоактивного распада с помощью такого
параметра, как период полураспада. За время T½, которое мы называем
периодом полураспада, распадется половина исходных радиоактивных
атомов, половина атомов останется нераспавшимися, поэтому из (3)
следует, что
1. Радиоактивность
26
Отсюда постоянная распада
Подставим это выражение в (3) и получим
Из последней формулы следует выражение для закона радиоактивного
распада, записанного через период полураспада:
. (1.4)
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте понятие активности радиоактивного источника.
2. Как меняется активность источника с течением времени?
3. Что такое период полураспада?
4. Радиоактивный образец содержит 106 радиоактивных атомов.
Период полураспада этих атомов равен 8 часов. Сколько радиоактивных
атомов останется в образце через 4 часа? через 16 часов? через 24 часа?
1.6. Закон радиоактивного распада
27
2. СТРОЕНИЕ АТОМА
В конце XIX – начале XX вв. в физике были сделаны важнейшие от-
крытия – было установлено, что объяснить закономерности излучения
нагретых тел возможно только, если считать, что излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а дискретно – квантами, найдена
мельчайшая частица, несущая элементарный электрический заряд – электрон, открыты рентгеновское и радиоактивное излучения, было установлено, что α-частицы являются атомами гелия, лишенными электронов, а
β-излучение представляет собой поток электронов, открыты первые реакции, в которых атомы одного вида превращались в атомы другого вида –
α- и β-распады атомов. С одной стороны, эти открытия способствовали
утверждению атомистической концепции строения вещества, но с другой
стороны – со всей остротой ставили вопрос о том, как «устроен» атом.
Многочисленные данные физики и химии свидетельствовали о том,
что в целом атомы и молекулы электрически нейтральны, но при определенных обстоятельствах могут приобретать электрический заряд, превращаясь в ионы. Открытие элементарного отрицательного электрического заряда – электрона – указывало на то, что легкий электрон может
«отрываться» от атома, превращая его в ион. То есть отрицательно заряженный электрон должен входить в состав электрически нейтрального
атома. Возникали закономерные вопросы, а с чем связан положительный
заряд? Как он распределяется внутри атома? Из чего состоят атомы и как
они устроены?
Различные модели строения атома предлагались и ранее, но они основывались не на физических экспериментальных данных, а скорее на
общефилософских соображениях о единстве материального мира и подобии устройства материи на разных уровнях. Так, планетарную модель, согласно которой атом подобен Солнечной системе, где малые тела вращаются вокруг большого центрального тела, предлагали и раньше, но не существовало никаких экспериментальных данных, способных не только
подтвердить или опровергнуть данную модель, но даже просто приступить к сколько-нибудь обоснованному ее анализу.
2. Строение атома
28
2.1. Ранние модели атома
Первые модели строения атома были связаны с изучением линейча-
тых спектров испускания света атомами. Физики пытались объяснить, почему каждый атом испускает индивидуальный, только этому атому свойственный набор спектральных линий. В 1891 г. английский физик Джордж
Джонстон Стони (18261911) [8] высказал предположение, что различные
спектральные линии возникают в результате движения постоянных электрических зарядов внутри атома или молекулы [7]. Существование таких
зарядов он обосновывал, ссылаясь на законы электролиза, открытые еще
Фарадеем. Стони прямо пишет, что «причиной спектров является орбитальное движение электронов в атоме». Интересно отметить, что термин
«электрон» для описания элементарного электрического заряда, проявляющегося в явлении электролиза, ввел в обращение именно Дж. Стони.
В то же время, Стони в своей модели ничего не говорит о положительном
заряде в атоме, о том, как этот заряд должен быть распределен.
Следующей моделью строения атома стала модель, предложенная первооткрывателем электронов
Дж. Дж. Томсоном. Принято считать, что модель
атома Томсона, она же «модель пудинга» или
«модель кекса», состоит в следующем. Атом имеет
сферическую форму. Все пространство атомной
сферы заполнено равномерно распределенным веществом с положительным зарядом. В этом веществе, как изюминки в кексе или в пудинге, движутся
отрицательно заряженные электроны. Средняя
плотность вещества атома равна средней макроско-
пической плотности вещества, атомы которого мы рассматриваем. Такой
атом электрически нейтрален, однако, он, во-первых, не может быть
устойчивым, а во-вторых, в рамках такой модели атома невозможно объяснить наличие характеристических линейчатых спектров испускания и
поглощения света атомами.
Однако модель Томсона на самом деле не так проста. Томсон про-
явил огромную изобретательность, пытаясь объяснить устойчивость атомов, а также в духе предположений Стони объяснить спектральные зако-
2.1. Ранние модели атома
29
номерности излучения. Томсон предположил [7], что внутри атома электроны движутся по окружностям, объединяясь в группы (рис. 2.1). Число
и конфигурация электронов в такой группе зависит от природы атома.
Если число электронов меньше пяти, то они образуют одно концентрическое кольцо. Если электронов больше, то они образуют структуру из
двух, трех или более концентрических колец. Для некоторых из таких
конфигураций Томсону удалось показать, что они являются более устойчивыми, чем другие конфигурации. При этом частоты вращения электронов (кольцевых конфигураций) могут совпадать с частотами излучаемых
атомом спектральных линий. Однако в общем случае проблему устойчивости атома в рамках такой усовершенствованной модели Томсона решить все же не удалось.
Кроме того, оставался совершенно неясным механизм излучения света атомами. Согласно уравнениям Максвелла, описывающим свойства
электромагнитного поля, любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных
волн. Электроны в модели Томсона движутся по замкнутым траекториям,
такое движение происходит с ускорением, следовательно, электроны все
время теряют энергию. Непонятно, откуда они должны восполнять потери
энергии, чтобы продолжать движение по тем же траекториям.
Тем же недостатком, что и модель Томсона, страдает и планетарная
модель атома. В ней электроны движутся по замкнутым орбитам, следовательно, они движутся с ускорением и поэтому должны непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя энергию. В результате электрон должен очень быстро растратить всю свою кинетическую энергию и упасть на
центральное положительно заряженное тело.
Интересную модель атома предложил в 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока (1865–1950). Согласно модели Нагаоки (рис. 2.2) атом состоит из положительно заряженного шара, занимающего основную часть
объёма атома, вокруг которого вращаются кольца – электроны («атом типа Сатурна»). Логическим развитием этой модели могло бы стать представление об электроне, не как о маленьком заряженном шарике, а как о
кольце из отрицательного заряда, охватывающем центральное положительно заряженное тело атома. При такой трактовке электрон не должен
постоянно двигаться с ускорением и поэтому не падает на ядро. Согласно
2. Строение атома
30
современным квантово-механическим представлениям, отрицательный
заряд в атоме распределен вблизи ядра в виде облака определенной формы. Это в некотором смысле перекликается с моделью атома, предложенной Нагаокой.
Рис. 2.1. Модель атома
Томсона
Рис. 2.2. Модель атома
Нагаоки
Рис. 2.3. Планетарная
модель атома
Итак, сформулируем требования, предъявляемые к физической мо-
дели атома. Во-первых, атом должен быть электрически нейтральным.
Во-вторых, он может быть ионизирован при отделении от него электрона или в случае присоединения электрона к нему. В-третьих, атом должен быть устойчивым, т.е. он должен существовать неограниченно долгое время, не распадаясь без внешних воздействий. В-четвертых, атом
не должен излучать электромагнитные волны произвольной длины. Он
может излучать и поглощать характерный только для него набор электромагнитных волн с вполне определёнными частотами (линейчатые
спектры). Ни одна из описанных выше моделей атома не удовлетворяла
такому набору требований.
Контрольные вопросы
1. Какие экспериментальные предпосылки для теоретических постро-
ений первых моделей атома имелись к концу девятнадцатого века?
2. В чем проявляется сходство и в чем проявляется различие моделей
атома Стони и атома Томсона? Почему им не удалось решить проблему
устойчивости атома? Решена ли проблема устойчивости в планетарной
модели атома?
3. В чем особенность модель атома Нагаоки и какие недостатки в
ней имелись?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]