фізика 11клас 31.03.2020

Тема: Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпад

Радіоактивний розпад.

Чим. же пояснюється радіоактивність? Яке походження радіоактивних променів? І, нарешті, що ж відбувається з речовиною під час радіоактивного розпаду?

У 1902—1903 роках Е. Резерфорд і його співробітник, англійський хімік Ф. Содді, припустили, що радіоактивність пов'язана з перетвореннями атомів радіоактивної речовини на інші атоми. Розрахунки показували, що радіоактивні речовини безперервно протягом тисячоріч випромінюють незначну кількість енергії, практично не змінюючись. Так, 1903 року П. Кюрі визначив, що 1 г радію виділяє за 1 год близько 582 Дж енергії.

Звідки ж береться енергія, на виділення якої ніяк не впливають усі відомі чинники? Очевидно, під час радіоактивності речовина зазнає якихось суттєвих змін, зовсім відмінних від звичайних хімічних перетворень. Було зроблене припущення, що перетворень зазнають самі атоми.

Після того як 1911 року Резерфордом була запропонована ядерна модель атома, стало очевидним, що саме ядро зазнає змін під час радіоактивних перетворень. Дійсно, якби зміни стосувалися тільки електронної оболонки атома (наприклад, втрата одного чи декількох електронів), то при цьому атом перетворювався б на іон того самого хімічного елемента, а зовсім не на атом іншого елемента, з іншими фізичними й хімічними властивостями. До того ж -частинок узагалі немає в електронній оболонці.

Таким чином, було виявлено, що в результаті атомного перетворення утворюється речовина цілковито нового виду, яка повністю відрізняється за своїми фізичними й хімічними властивостями від початкової речовини. Ця нова речовина, однак, сама також є нестійкою і зазнає перетворень з випусканням характерного радіоактивного випромінювання.

Радіоактивність являє собою спонтанне перетворення одних атомних ядер на інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок.

2. Масове й зарядове числа.

Як одиниця маси в атомній і ядерній фізиці використовується атомна одиниця маси (а. о. м.).

Атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси атома Карбону атомною масою 12.

1 а.о.м.=1,6605655 . 10 ^-27

Ціле число, найближче до атомної маси, вираженої в а. о. м. називається масовим числом і позначається буквою .

Наприклад, для Феруму А = 56 , для Нітрогену А = 14 .

Число протонів у ядрі називається зарядовим числом і позначається буквою .

Наприклад, для Феруму Z = 26 , для Нітрогену Z = 7.

Зарядове число чисельно дорівнює зарядові ядра, вираженому в елементарних електричних зарядах. Для кожного хімічного елемента зарядове число дорівнює атомному (порядковому) номеру в таблиці Д. І. Менделєєва.

Якщо під X мається на увазі символ хімічного елемента, то ядро будь-якого хімічного елемента в загальному вигляді позначається так: . Іноді зустрічається таке позначення: .

Наприклад, для Феруму: , для Нітрогену:  і т. д.

Число нейтронів у ядрі позначають буквою N. Оскільки масове числом являє собою загальне число протонів і нейтронів у ядрі, то число нейтронів у ядрі можна знайти в такий спосіб: .

3. Альфа-розпад.

Перетворення атомних ядер, що супроводжується випромінюванням -частинок, називається -розпадом.

Схема -розпаду така:

Альфа-розпад зменшує масове число на 4, а зарядове число на 2, тобто переміщає елемент на дві клітинки до початку періодичної системи. Наприклад, .

4. Бета-розпад.

Перетворення атомних ядер, що супроводжуються випромінюванням -частинок, називаються -розпадом.

Схема -розпаду така:

Бета-розпад не змінює масового числа, а зарядове число збільшує на 1, тобто зміщає елемент на одну клітинку ближче до кінця періодичної системи. Наприклад, 

 Процеси - і -розпадів є наслідками двох законів збереження, які виконуються під час радіоактивних перетворень,— збереження електричного заряду та масового числа: сума зарядів (масових чисел) продуктів розпаду дорівнює зарядові (масовому числу ) вихідного ядра.

Коли йдеться про частинки, які не є ядрами (нейтрон, електрон, протон), то в їхніх умовних позначеннях( і ) верхня цифра — це маса, виражена в атомних одиницях маси і округлена до цілих чисел, а нижня — заряд в елементарних електричних зарядах.

Ядра, які виникли в результаті радіоактивного розпаду, також є радіоактивними. Так виникає ланцюжок радіоактивних перетворень, і ядра, що належать до цього ланцюжка, утворюють радіоактивний ряд. У природі існують три радіоактивні ряди: ряд Урану ; ряд Торію  і ряд Актинію.

Ряд урану закінчується Плюмбумом ; Торію — ; Актинію —. Вимірявши кількість свинцю в урановій руді, можна визначити вік цієї руди.

Період піврозпаду.

Е. Резерфорд, досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, установив дослідним шляхом, що їхня активність зменшується з часом. Так, активність Радону зменшується у два рази вже через 1 хвилину.

Для кожної радіоактивної речовини існує певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується в два рази.

Період піврозпаду Т —це час, протягом якого розпадається половина наявної кількості радіоактивних атомів.

Наприклад, для ядра  період піврозпаду (становить) близько 1600 років. Отже, якщо взяти 1 г радію, то через 1600 років його буде 0,5 г, а через 3200 років — 0,25 г. Таким чином, вихідна кількість радію повинна обернутися на нуль через нескінченний проміжок часу.

 Закон радіоактивного розпаду.

Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу () дорівнює.

Момент часу	Формула	Малюнок
	, враховуючи, що ,  отримаємо

За цією формулою можна знайти у будь-який момент часу кількість атомів, що не розпалися. Період піврозпаду — стала величина, яка не може бути змінена такими доступними впливами, як охолодження, нагрівання, тиск і т. д. Для Урану-238 період піврозпаду дорівнює 4,5 млрд років, для Радію-226 — 1620 років, для Радону-222 — 3,825 доби, для Радію-С— 1,5∙10^-4 с.

 Закон радіоактивного розпаду як статистична закономірність.

Закон розпаду атомів не є законом, який керує розпадом одного атома, оскільки не можна передбачити, коли відбудеться цей розпад.

Розпад атома не залежить від віку атома, тобто атоми «не старіють». Розпад будь-якого атомного ядра — це, так би мовити, не «смерть від старості», а «нещасний випадок» у житті атома. Для радіоактивних атомів не існує поняття віку. Можна знайти лише середній час життя :

Середній час життя — це просто середнє арифметичне часу життя досить значної кількості атомів певного сорту. Передбачити, коли відбудеться розпад даного атома, неможливо. Використовуючи закон радіоактивного розпаду, можна визначити середню кількість атомів, які розпадаються за певний інтервал часу. Закон радіоактивного розпаду є статистичним законом.

Приклади розв'язування задач

1. Була деяка кількість радіоактивного ізотопу Аргентуму. Маса радіоактивного срібла зменшилася у 8 разів за 810 діб. Визначте період піврозпаду радіоактивного Аргентуму.

Розв’язання. ,  звідки     або  .  Тоді ,  отже 

2. Скільки радіоактивної речовини залишиться за масою після того, як мине три доби, якщо спочатку було 100 г речовини? Період піврозпаду речовини дорівнює 2 доби. (Відповідь: 35,4 г.)

Розв’язання. 

3. Знайдіть період піврозпаду радіоактивного Цезію , якщо за 3/4 року частка ядер, які розпалися, склала 0,0173. (Відповідь: приблизно 30 років.)

Розв’язання.

            

4. Період піврозпаду Іоду-131 дорівнює 8 діб. Скільки відсотків початкової кількості атомів Іоду-131 залишиться через 24 доби?

Дано:

Розв’язання:

 ПІДСУМОК УРОКУ

Радіоактивність являє собою спонтанне перетворення одних атомних ядер на інші, супроводжуване випромінюванням різних частинок.

-розпад:  

-розпад:  

Період піврозпаду Т — це час, протягом якого розпадається половина наявної кількості радіоактивних атомів.

Закон радіоактивного розпаду: