Радиоактивность. Радиоактивный распад: закономерности, характеристики, виды

 Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ                    УНИВЕРСИТЕТ”

 

 

 

Реферат на тему:

Радиоактивность. Радиоактивный распад: закономерности, характеристики, виды.

 

 

 

 

 

Выполнила:

                                                           студентка магистратуры 1 курса

                                                           естественнонаучного факультета

                                                                         Мордовец А.С.

 

 

 

 

Москва

                                                       2012

1.Историческая справка.

Беккерель. Весной 1896 французский физик А.Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Подобно открытым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и ионизировало окружающий воздух. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена. Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка, с которой соприкасался кристалл соли урана. Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований. Кюри. Пользуясь электрическим методом, Г. Шмидт и М. Кюри в 1898 обнаружили радиоактивность элемента тория. В следующем году Дебьерн открыл радиоактивный элемент актиний. Начатый супругами П. и М.Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана. Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Проведя тщательное химическое разделение уранинита на составляющие компоненты, они открыли радий, по химическим свойствам сходный с барием, и полоний, который выделялся вместе с висмутом. Резерфорд. В дальнейших исследованиях радиоактивности ведущая роль принадлежала Э. Резерфорду. Сосредоточив внимание на изучении этого явления, он установил природу радиоактивных превращений и сопутствующего им излучения. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам. Искусственная радиоактивность. Бомбардируя альфа-частицами атомы газообразного азота, Э. Резерфорд и Дж. Чедвик в 1919 впервые осуществили ядерную реакцию, вызвав превращение азота в кислород. С появлением ускорителей заряженных частиц фронт работ по изучению ядерных реакций значительно расширился. В 1934 Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности и позитронный тип распада. Они обнаружили, что облученные альфа-частицами бор, магний и алюминий превращаются в радиоактивные изотопы других элементов, распад которых сопровождается испусканием позитрона (e+). Так, например, при бомбардировке альфа-частицами алюминия образуется радиоактивный фосфор-30, который, распадаясь (T = 2,5 мин), испускает e+ и превращается в стабильный кремний-30. Позитрон, открытый в 1932 К.Андерсоном в создаваемом космическими лучами вторичном излучении, представляет собой частицу, по массе и величине заряда идентичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд (античастица электрона). При испускании позитрона ядром радиоактивного атома порядковый номер атома уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений.   2.Излучение радиоактивных веществ. Естественные радиоактивные  элементы испускают три вида излучений: альфа, бета и гамма. В 1899 Резерфорд  идентифицировал альфа- и бета-излучение; спустя год П.Вийар открыл гамма-излучение.  Обнаружено, что a-,b-лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а g-лучи не отклоняются совсем. Так были определены знаки зарядов составных частей радиоактивного излучения. Альфа-излучение. В воздухе при атмосферном давлении альфа-излучение преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума электрическое и магнитное поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление и величина отклонений указывают на то, что альфа-излучение - это поток положительно заряженных частиц, для которых отношение заряда к массе (e/m) в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия (He++). Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия. Бета-излучение. Это излучение обладает большей проникающей способностью, чем альфа-излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны. Гамма-излучение. Гамма-излучение проникает в вещество гораздо глубже, чем альфа- и бета-излучения. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение. Разделение радиоактивного излучения в магнитном поле на альфа-, бета- и гамма-лучи схематично показано на рисунке.       СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА, иллюстрирующего отклонение разных видов радиоактивного излучения  в магнитном поле.

 

3.Теория радиоактивного распада.

 В процессе эмиссии радиоактивного  излучения вещество претерпевает  ряд изменений. Так, например, излучение радия сопровождается  выделением газообразного радона ("эманацией"). В свою очередь  радон, распадаясь, оставляет радиоактивные  отложения на стенках содержащего  его сосуда. Собранная при распаде  радия эманация теряет половину  исходной активности примерно  за 4 сут. Эти и другие не  поддававшиеся интерпретации экспериментальные  факты удалось объяснить с  помощью теории радиоактивного  распада атомов, предложенной Резерфордом  и Содди в 1903, а также правила  смещения, сформулированного в 1913 А.Расселом и независимо от  него Фаянсом и Содди. Суть  теории Резерфорда и Содди  состоит в том, что в результате  радиоактивного распада происходит  превращение одного химического  элемента в другой. 
Правило смещения. Правило смещения точно указывает, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение.

Эмиссия альфа- и бета-частиц. Правило смещения можно пояснить с помощью ядерной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых компенсирует положительный заряд ядра. Каждому атому приписывается свой атомный номер Z, соответствующий его порядковому номеру в периодической таблице Менделеева и численно равный заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Альфа-частица имеет Z = 2 и массовое число (округленный атомный вес) A = 4. Если неустойчивое ядро испускает бета-частицу, то его Z увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Следовательно, радиоактивный атом превращается в следующий по порядку атом таблицы Менделеева. При эмиссии альфа-частицы Z и A вновь образованного ядра уменьшаются на 2 и 4 единицы соответственно, а дочерний атом, испытав соответствующее изотопическое превращение, "смещается" в таблице Менделеева влево от родительского элемента.

Гамма-излучение. Орбитальные электроны, получив избыток энергии, могут переходить на более высокие энергетические уровни. Возвращаясь в основное (нормальное) состояние, они отдают избыток энергии в виде света или рентгеновского излучения. Ядра атомов, обладающие избыточной энергией, также могут переходить в возбужденное состояние. Подобное возбуждение часто испытывают ядра, образующиеся в процессе радиоактивных превращений. Переходя в основное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов. Особый интерес представляет вариант распада, когда радиоактивное ядро имеет большое время жизни возбужденного состояния. В этом случае у находящихся в разных энергетических состояниях одинаковых ядер (с одинаковыми значениями Z и A) наблюдаются однотипные радиоактивные распады, но происходят они с разными скоростями, поскольку одни ядра распадаются из возбужденного, а другие из основного состояния. Это явление получило название ядерной изомерии, а возбужденное и нормальное ядра называются изомерами. 
Радиоактивные ряды. Правило смещения позволило проследить превращения естественных радиоактивных элементов и выстроить из них три генеалогических дерева, родоначальниками которых являются уран-238, уран-235 и торий-232. Каждое семейство начинается с чрезвычайно долгоживущего радиоактивного элемента. Урановое семейство, например, возглавляет уран с массовым числом 238 и периодом полураспада 4,5* лет .

Период  полураспада. Важнейшей характеристикой радиоактивного атома является его время жизни. Согласно закону радиоактивного распада, вероятность того, что за данный промежуток времени произойдет распад одного атома, есть величина постоянная. Следовательно, число ежесекундно происходящих распадов пропорционально количеству имеющихся атомов, а закон, описывающий процесс распада, имеет экспоненциальный характер. Если за время Т распадается половина исходного количества радиоактивных атомов, то половина оставшихся атомов распадется в течение следующего промежутка времени той же длительности. Время Т называется периодом полураспада радиоактивного элемента. Для различных элементов период полураспада составляет от десятков миллиардов лет до миллионных долей секунды и менее. 
Семейство урана. На элементах семейства урана можно проследить большинство обсуждавшихся выше свойств радиоактивных превращений. Так, например, у третьего члена семейства наблюдается ядерная изомерия. Уран X2, испуская бета-частицы, превращается в уран II (T = 1,14 мин). Это соответствует бета-распаду возбужденного состояния протактиния-234. Однако в 0,12% случаев возбужденный протактиний-234 (уран X2) излучает гамма-квант и переходит в основное состояние (уран Z). Бета-распад урана Z, также приводящий к образованию урана II, происходит за 6,7 ч. Радий С интересен тем, что может распадаться двумя путями: испуская либо альфа-, либо бета-частицу. Эти процессы конкурируют между собой, но в 99,96% случаев происходит бета-распад с образованием радия С". В 0,04% случаев радий С испускает альфа-частицу и превращается в радий С" (RaC"). В свою очередь RaC' и RaC" путем эмиссии альфа- и бета-частиц соответственно превращаются в радий D. Изотопы. Среди членов уранового семейства встречаются такие, атомы которых имеют одинаковый атомный номер (одинаковый заряд ядер) и разные массовые числа. Они идентичны по химическим свойствам, но различаются по характеру радиоактивности. Например, радий B, радий D и радий G, имеющие одинаковый со свинцом атомный номер 82, подобны свинцу по химическому поведению. Очевидно, что химические свойства не зависят от массового числа; они определяются строением электронных оболочек атома (следовательно, и Z). С другой стороны, массовое число имеет решающее значение для ядерной стабильности радиоактивных свойств атома. Атомы с одинаковым атомным номером и разными массовыми числами называются изотопами. Изотопы радиоактивных элементов были открыты Ф. Содди в 1913, но вскоре Ф.Астон с помощью масс-спектроскопии доказал, что изотопы имеются и у многих стабильных элементов. 
Другие естественные радиоактивные элементы. Все элементы, расположенные в периодической таблице за висмутом (т.е. с Z > 83), являются радиоактивными. Подобно урану-238, долгоживущие уран-235 и торий-232 возглавляют соответственно актиниевое и ториевое радиоактивные семейства. В естественных условиях встречаются уран, торий и их дочерние радиоактивные продукты. Это обусловлено тем, что периоды полураспада у родоначальников семейств сравнимы с возрастом Земли, и они пока еще не распались полностью. Химические элементы с атомным номером > 92 получены в лабораториях в результате ядерных реакций и обнаружены среди продуктов термоядерных взрывов, причем все они оказались радиоактивными. Среди более легких элементов лишь немногие обладают естественной радиоактивностью. Периоды полураспада у них столь велики, что они до сих пор существуют на Земле в заметных количествах. Радиоактивный калий-40, испуская бета-частицы, превращается в стабильный кальций-40 (T РАДИОАКТИВНОСТЬлет). Однако он может распадаться и путем захвата электрона, превращаясь в аргон-40. Бета-активный рубидий-87, распадаясь (T РАДИОАКТИВНОСТЬ 6* лет), переходит в стабильный стронций-87. Встречающийся в природе самарий-152 - единственный более легкий, чем висмут, радиоактивный элемент, испускающий альфа-частицы. Его период полураспада - лет. У элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 нет ни стабильных изотопов, ни долгоживущих предшественников, поэтому на Земле они не обнаружены. У самого долгоживущего изотопа технеция (Z = 43) период полураспада - порядка 300 000 лет, что значительно меньше предполагаемого возраста Вселенной. Однако значительное количество технеция обнаружено в составе звезд спектрального класса S. Этот факт интерпретируется как явное доказательство того, что в них сравнительно недавно происходили активные эволюционные процессы.

4. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому нужно считать, что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времени dt:

dN=-λNdt.

Здесь λ.—характерная для радиоактивного вещества константа, назывемая постоянной распада. Знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование этого выражения  приводит к соотношению

N=N₀e^-λt 

где Nо—количество ядер в начальный момент, N—количество нераспавшихся атомов в момент времени t. Эта формула выражает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

No-N=No(1-e^-λt).

 
Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада Т. Это время определяется условием

 

Период полураспада для известных  в настоящее время радиоактивных  ядер находится в пределах от 3*10^-7с до 5*10¹⁵ лет.

 
 
Найдём среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер dN(t), испытывающих превращение за промежуток времени от t до t + dt, определяется модулем выражения: dN(t) = λN(t)dt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Следовательно, сумма времен жизни всех No имевшихся первоначально ядер получается путем интегрирования выражения tdN(t). Разделив эту сумму на число ядер No, получим среднее время жизни τ радиоактивного ядра:

Таким образом, среднее время жизни  есть величина, обратная постоянной распада  λ:

 
Сравнение с показывает, что период полураспада Т отличается от τ числовым множителем, равным In 2.

4.Виды радиоактивного распада ядер.

АЛЬФА-РАСПАД — испускание a-частиц атомными ядрами в процессе самопроизвольного радиоактивного распада. В результате А.-р. «материнское» ядро с зарядом Z и массовым числом А превращается в новое «дочернее» ядро с зарядом Z-2 и массовым числом А-4.

Известно около 160 a-активных ядер. Подавляющая часть их распадается в конце периодической системы и обладает Z>82. Несколько    a-активных ядер (например, ¹⁴⁶₆₂Sm) имеется в области редких земель.         a-активные ядра в области Z<82 наблюдаются почти исключительно среди нейтронодефицитных ядер (ядер с непропорционально малым числом нейтронов), сильно неустойчивых по отношению к К-захвату и испусканию позитронов.

Времена жизни a-активных ядер колеблются в очень широких пределах: от 3·10-⁷ с для ²¹²Ро до 5·10¹⁵ лет для ¹⁴²Се. Энергии А.-р. всех тяжелых ядер заключены в пределах 4— 9 МэВ; энергии А.-р. ядер в области редких земель составляют 2—4,5 МэВ.

В процессе А.-р. различают две стадии: образование a-частицы из нуклонов ядра и испускание a-частицы ядром. О первой стадии в настоящее время почти ничего не известно. Ясно, однако, что образование a-частиц происходит с заметной вероятностью и поэтому мало сказывается на времени жизни a-активных ядер, которые определяются второй, существенно более медленной стадией процесса.

БЕТА-РАСПАД — радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом  из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода: либо нейтрона (п) в протон (р), либо протона в  нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е^-) и происходит так называемый β^-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением еще одной частицы нейтрино (ν) в случае β⁺-распада или антинейтрино (Z) в случае β^-распада. При β^-распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядро-продукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β⁺распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

 

где X-символ ядра, состоящего из Z-протонов,Az—нейтронов.

 
Простейшим примером β^-распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈13 мин):

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных  изотопов. Для того, чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β -превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Ер можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е==МС², где С — скорость света в вакууме. В случае β^-распада

E_β-=(M_z-M_z+1)C²,

где М — масса нейтральных  атомов. В случае β⁺-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, и энергия Б.-р. равна

E_β=(M_z-M_z-1-2m_e)C²,

где m_e — масса электрона.

Энергия Б.-р. распределяется между  тремя частицами: электроном (или  позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из легких частиц может  уносить практически любую энергию  от 0 до Е_β, т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.