§12. Радиоактивность ядер.
Каждый химический элемент имеет несколько изотопов, но не все они устойчивы. Некоторые изотопы нестабильны и самопроизвольно превращаются в изотопы других элементов с испусканием элементарных частиц и легких ядер. Это явление называется радиоактивностью. Радиоактивный распад был открыт в 1896 г. А.Беккерелем. Большой вклад в решение проблемы радиоактивности внесли Э.Резерфолрд, супруги П. Кюри и М.Склодовская-Кюри.
Радиоактивность обусловлена тем, что ядерные силы обладают очень коротким радиусом действия. Они связывают друг с другом только ближайшие нуклоны, поэтому с ростом числа нуклонов их связь ослабевает и ядра становятся радиоактивными. Анализируя таблицу элементов, можно видеть, что в легких устойчивых ядрах число протонов и нейтронов практически одинаково, тогда как стабильные изотопы тяжелых элементов содержат большее число нейтронов. Самым тяжелым из стабильных элементов является свинец.
При
своем распаде ядра могут испускать
радиоактивное излучение трех типов. В
соответствии с этим рассматривают
распад.
При
-распаде
ядро испускает
-частицу,
которая представляет собой ядро изотопа
гелия
.
-излучение
отклоняется электрическим и магнитным
полями, обладает высокой ионизирующей
способностью и малой проникающей
способностью (например, поглощаются
слоем алюминия толщиной примерно 0,05
мм).
Скорость -частиц
м/с.
Если символом
обозначить материнское ядро, то
превращение ядра при -распаде
происходит по схеме:
,
где
– символ дочернего ядра. -распад
уменьшает массовое число на 4, а заряд
ядра – на 2 элементарных положительных
заряда, то есть происходит перемещение
химического элемента на две клетки
влево
в периодической системе элементов
Менделеева. Например,
.
-Распад
сопровождается
испусканием электронов (-лучи),
которые при этом имеют огромные скорости,
близкие к скорости света. -Излучение
отклоняется электрическим и магнитным
полями; его ионизирующая способность
значительно меньше (примерно на два
порядка), а проникающая способность
гораздо больше (поглощается слоем
алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у
-частиц.
-Излучение
сильно рассеивается в веществе. Массовое
число при -распаде
не изменяется, а зарядовое число
увеличивается на единицу:
.
Следовательно, новый химический элемент перемещается на одну клеточку вправо в периодической системе Менделеева.
-Распад сопровождается коротковолновым электромагнитным излучение с чрезвычайно малой длиной волны <10-10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами. т.е. -излучение является потоком частиц – -квантов (фотонов). -Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию.
Установлено,
что все существующие в природе
радиоактивные элементы являются
продуктами распада четырех исходн6ых
элементов:
.
Процессы их радиоактивного распада
заканчиваются соответственно образованием
.
Помимо естественных радиоактивных
элементов, принадлежащих тому или иному
радиоактивному ряду, можно искусственным
путем получить радиоактивные изотопы
стабильных элементов. Например, при
облучении
-частицами
получается радиоактивный фосфор (
),
аналогично из
можно получить радиоактивный кремний.
Распад естественных и искусственных радиоактивных элементов осуществляется по одному закону. Опыт показывает, что количество радиоактивных атомов N(t) убывает со временем по экспоненциальному закону:
где –постоянная радиоактивного распада, характерная для каждого вещества. Она численно равна обратной величине времени, за которое число радиоактивных атомов уменьшается в е раз. На практике чаще пользуются не постоянной распада, а период полураспада Т, т.е. временем, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Значения Т для различных изотопов лежат в очень широких пределах: от 10-16с до миллиардов лет. На законе радиоактивного распада основан способ определения возраста земных пород, остатков растений, организмов и т.п.