III. Закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада установил Ф.Содди. Опытным путем Э.Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада (Т) вещества.

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N(t) не распавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество не распавшихся ядер N(t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt: ΔN = –λN(t)Δt

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость изменения функции N(t) прямо пропорциональна самой функции . Подобная зависимость возникает во многих физических задачах (например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону: N(t) = N₀e^–λt

где N₀ – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e: N(t) = N₀ · 2^–t/T.

Величина T называется периодом полураспада – время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением:

Иллюстрация закона радиоактивного распада:

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада.

Так, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет => активность радия значительно выше, чем урана =>

Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад.

Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий.

С хема распада радиоактивной серии : (указаны периоды полураспада)

Наиболее длинной является серия состоящая из 14 последовательных распадов (8α -распадов и 6β бета-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца .

В природе существуют еще несколько радиоактивных серий, аналогичных серии . Известна также серия, которая начинается с нептуния не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах.

Радиоуглеродный анализ (1950 г. Либби): метод датирования (определения возраста) археологических и геологических находок по концентрации остатка не распавшихся радиоактивных изотопов.

Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом . Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Урок 55/3. Лабораторная работа № 5 «Изучение треков заряженных частиц по

готовым фотографиям. ПЕРЕДЕЛАТЬ!!!!

P.S. Перед л/р просмотр видеофрагмента «Невидимые лучи» кинофильма «Операция гелий».

Цель: Изучить треки заряженных частиц по фотографиям и объяснить характер их

движения.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученные в камере

Вильсона, пузырьковой камере и в слое фотоэмульсии.

Теоретическое обоснование: (Уровень «А» - на оценку «4»):

Мы знаем, что с помощью треков заряженных частиц можно получить их характеристики: 1) чем длиннее трек, тем большей энергией обладала частица;

2. чем больше капелек воды в треке, тем с большей скоростью двигалась частица;

3. чем шире трек, тем больше заряд частицы.

(Уровень «Б» - на оценку «5»):

Траектория движение α⁺-частиц в магнитном поле искривяется под действие силы Лоренца, направление которой можно определить по правилу левой руки и определить радиус кривизны траектории, если учесть, что скорость α⁺-частиц

п ри движении по дуге окружности направлена по касательной к траектории, а частица получает центростремительное ускорение:

по II закону Ньютона:

Ход работы:

1) По фотографиям на рис. 156-158 определить, где изображены траектории

движения заряженных частиц и почему.

2) Сравнить длины треков и выяснить:

а) направление движения;

б) значения энергии;

в) скоростей движения частиц.

3) По фотографии треков α⁺-частиц в камере Вильсона в магнитном поле на рис.157

определить:

а) как меняется радиус кривизны трека и его толщина, почему и о чем это

свидетельствует;

б) направление движения частиц;

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

(Уровень «Б» - на оценку «5»):

в) охарактеризовать движение α⁺-частицы в магнитном поле, определить

направление силы Лоренца и вывести формулу радиуса кривизны траектории.

P.S. выполняется в теоретическом обосновании.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

3) По фотографии трека электрона в пузырьковой камере в магнитном поле на рис.158:

а) объяснить форму траектории;

б) определить направление;

в) сравнить длины треков электрона и α⁺-частицы, и объяснить этот факт.

Вывод: Изучили треки заряженных частиц по фотографиям и научились выяснять

характеристики частиц (m, q, v, E) по виду треков.

IV. Изотопы (изос – одинаковый, топос – место) – это химические элементы,

имеющие одинаковый порядковый номер (заряд ядра) => обладают одинаковыми химическими свойствами, но разное массовое число (а.м.) => обладают разной радиоактивностью.

Изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре.

Существование изотопов предсказал в 1911 г. Содди, в 1912 г. Томсон подтвердил, что каждый химический элемент имеет изотопы.

Например: - изотопы;

- обычный водород;

- тяжелый водород

( - дейтерий (стабилен));

- сверхтяжелый водород

( - тритий (радиоактивен)).

У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например: у водорода три изотопа: – обычный водород, – дейтерий и – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Состав атомных ядер.