ФИЗИКА

Определение периода полураспада

и постоянной распада химического элемента

Методические указания

к лабораторной работе по физике № 51

с применением компьютерного моделирования

Сыктывкар

2003

Министерство образования Российской Федерации

Сыктывкарский лесной институт

Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии

имени С.М. Кирова

Кафедра физики

Методические указания

к лабораторной работе по физике № 51

с применением компьютерного моделирования

для студентов всех специальностей и всех форм обучения

Сыктывкар

2003

Рассмотрены и рекомендованы к изданию

методическим советом технологического факультета

Составитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

М.Ю. Демина

Компьютерная программа:

А.В. Ванеев, В.А. Столыпко

Рецензент:

кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры теоретической и вычислительной физики

Сыктывкарского государственного университета

Ю. Н. Беляев

Лабораторная работа № 51

4 часа

Определение периода полураспада и постоянной распада

химического элемента

Цель работы: исследование закона радиоактивного распада.

Задачи работы: определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента.

Обеспечивающие средства: компьютер с Windows’95.

Теоретическая часть

Состав атомного ядра

Ядро любого атома состоит из частиц двух типов – протонов и нейтронов. Протон представляет собой ядро простейшего атома – водорода. Он имеет положительный заряд, по величине равный за­ряду электрона, и массу 1,67×10^-27 кг. Нейтрон, существование кото­рого было установлено только в 1932 году англичанином Джеймсом Чедвиком, электрически нейтрален, а масса почти совпадает с мас­сой протона. Нейтроны и протоны, представляющие собой два со­ставных элемента атомного ядра, объединяют общим наименова­нием нуклонов. Число протонов в ядре (или в нуклиде) называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общее число нуклонов, т.е. нейтронов и протонов, обозначается буквой А и называется мас­совым числом. Обычно химические элементы принято обозначать символом _ZХ^А или , где Х – символ химического элемента.

Радиоактивность

Явление радиоактивности состоит в спонтанном (самопроиз­вольном) распаде ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Ядра, подверженные такому распаду, называются радиоактивными. Ядра, не испытывающие радиоактивного распада, называются ста­бильными. В процессе распада у ядра может изменяться как атом­ный номер Z, так и массовое число А.

Радиоактивные превращения протекают самопроизвольно. На скорость их течения не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного по­лей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивный распад характеризуется временем его проте­кания, сортом и энергиями испускаемых частиц, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между на­правлениями вылета частиц. Исторически радиоактивность является первым ядерным процессом, обнаруженным человеком (А. Бекке­рель, 1896).

Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен, т.е. идет с выделением энергии. При расчете энергетического баланса необходимо учитывать релятивистскую связь массы с энергией, по­скольку при распаде могут рождаться новые частицы, на что будет тратиться энергия, соответствующая их массе. Выделяющаяся при распаде энергия Е определяется соотношением

m_исхс² = m_конс² + å m_iс² +Е,

где m_исх , m_кон, m_i – соответственно массы покоя исходного ядра, конечного ядра и вылетающих частиц. Энергия Е выделяется в форме кинетической энергии продуктов распада. Условие положительности Е необходимо, но еще не достаточно для того, чтобы ядро было радиоактивным, потому что энергетически выгодный распад может быть запрещен другими строгими законами сохранения, а именно сохранением момента импульса, электрического и барионного заряда.

Возникает естественный вопрос, обязательно ли будет происходить распад, если он не запрещен никакими законами сохранения. В макромире с его классическими законами это не так. Но в микромире любой энергетически выгодный процесс, не запрещенный законами сохранения, обязательно будет происходить с той или иной (иногда, правда, исчезающе малой) вероятностью.

Большинство радиоактивных ядер в природе не встречается, а может быть лишь синтезировано в лабораториях, отдельные радио­активные изотопы образуются в природе в результате различных ядерных реакций. Ядра со средним временем жизни, превышающим сотни миллионов лет, не успели распасться полностью за время, прошедшее с момента образования элементов окружающей нас части Вселенной. Таких очень долго живущих изотопов известно около двух десятков. Важнейшими из них являются a - радиоактив­ные изотоп тория ₉₀Th²³² и изотопы урана ₉₂U²³⁸ и ₉₂U²³⁵.Сравнение распространенности в природе различных природных изотопов с большими временами жизни позволило довольно точно определить время образования химических элементов Солнечной системы.

В естественных условиях могут встречаться и некоторые сравнительно быстро распадающиеся радиоактивные ядра. Очевидно, что такие ядра могут постоянно существовать в заметных количествах только при наличии в природе процессов, восполняющих убыль этих ядер за счет их распада. Имеются два механизма таких процессов. Во-первых, короткоживущие изотопы могут возникать при распаде долгоживущих. Другим постоянно действующим природным источником возникновения радиоактивных ядер служат ядерные реакции, вызываемые космическими лучами – потоками микрочастиц, падающих на Землю из космоса. В частности, наличие в земной атмосфере радиоактивного изотопа углерода ₆С¹⁴ обусловлено реакциями, вызываемыми космическими лучами.

Основоположниками исследования естественной радиоактивности ядер, встречающихся на Земле, являются П. и М. Кюри (1898). Искусственная радиоактивность синтезируемых ядер была открыта Ф. и И. Жолио-Кюри в 1934 г.