Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Опыт Резорфорда для определения природы радиоактивных излучений

Радиоактивностью называется явление непрерывного излучения ураном без каких-либо внешних воздействий. Радиоактивное излучение возникает при распаде ядер атомов радиоактивных элементов.

Резерфорд поместил радиоактивное излучение в магнитное поле, в результате чего излучение разделилось на 3 части. Резерфорд установил, что две части излучения являются корпускулярными и назвал их α и β-лучами. β-лучи являются потоком быстро летящих электронов, а α-лучи – поток положительно заряженных частиц, представляющих собой дважды ионизированные атомы гелия.

Больше ста лет назад, в феврале 1896г, французский физик Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение солей урана 238U, однако он не понимал природы этого излучения.

В 1898г супруги Пьер и Мария Кюри открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний 209Po и радий 226Ra, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. Радий – редкий элемент; чтобы получить 1 грамм чистого радия, надо переработать не менее 5 тонн урановой руды; его радиоактивность в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана.

Самопроизвольное излучение некоторых химических элементов было названо по предложению П.Кюри радиоактивностью, от латинского radio «излучать». Неустойчивые ядра превращаются в устойчивые.

Химические элементы с номера 83 являются радиоактивными, то есть самопроизвольно излучают, причем, степень излучения не зависит от того, в состав какого соединения они входят. 

Изучением природы радиоактивного излучения занимался великий физик начала 20 века Эрнест Резерфорд.

Итак, в 1899 г Эрнест Резерфорд обнаружил неоднородность излучения. Исследуя излучение радия в магнитном поле, он обнаружил, что поток радиоактивного излучения имеет сложную структуру: состоит из трех самостоятельных потоков, названных α-, β- и γ-лучами.

Превращение атомных ядер часто сопровождается испусканием α-, β-лучей. Если одним из продуктов радиоактивного превращения является ядро атома гелия, то такую реакцию называют α-распадом, если же – электрон, то β-распадом.

Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Ф.Содди. Давайте посмотрим, как выглядят эти реакции.

1.При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2e и его масса убывает на 4 а.е.м. В результате α-распада элемент смещается на две клетки к началу периодической системы Менделеева:

2. При β-распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1е, масса же остается почти неизменной. В результате β-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.

- Кроме альфа- и бета-распадов радиоактивность сопровождается гамма-излучением. При этом из ядра вылетает фотон. Слайд №15.

3. γ-излучение – не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Ядра, которые возникли в результате радиоактивного распада, в свою очередь также могут быть радиоактивны. Возникает цепочка радиоактивных превращений. Ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд или радиоактивное семейство. В природе существует три радиоактивных семейства: урана, тория и актиния. Семейство урана заканчивается свинцом. Измеряя количество свинца в урановой руде, можно определить возраст этой руды.

Резерфорд опытным путём установил, что активность радиоактивных веществ убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Это время называется периодом полураспада Т.

Как же выглядит закон радиоактивного распада?

Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. По формуле находят число не распавшихся атомов в любой момент времени. Пусть в начальный момент времени число радиоактивных атомов N0. По истечении периода полураспада их будет N0/2. Спустя t = nT их останется N0/2п.

Период полураспада – основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет разные значения.

Одинаково опасными являются как быстро, так и медленно распадающиеся ядра. Быстро распадающиеся ядра интенсивно излучают за малый промежуток времени, а медленно распадающиеся ядра радиоактивны на большом интервале времени. С различными уровнями радиации человечество встречается как в естественных условиях, так и в искусственно созданных обстоятельствах.

Вслед за супругами Кюри изучением радиоактивности стал заниматься английский ученый Эрнест Резерфорд. И в 1899 году он провел эксперимент по изучению состава радиоактивного излучения. В чем заключался опыт Э.Резерфорда?

В свинцовый цилиндр была помещена соль урана. Через очень узкое отверстие в этом цилиндре луч попадал на фотопластинку, расположенную над этим цилиндром.

В самом начале эксперимента магнитного поля не было. Поэтому фотопластинка так же, как и в опытах супругов Кюри, так же, как в опытах А. Беккереля, засвечивалась в одной точке. Затем было включено магнитное поле, причем так, что величина этого магнитного поля могла изменяться. В результате при малом значении магнитного поля луч разделился на две составляющие. А когда магнитное поле стало еще больше, появилось третье темное пятно. Вот эти пятна, которые образовались на фотопластинке, назвали a-, b-, и g-лучами.

Свойства радиоактивных лучей

Вместе с Резерфордом над проблемой изучения радиоактивности работал английский химик по фамилии Содди. Содди вместе с Резерфордом поставили эксперимент по изучению химических свойств этих излучений. Стало ясно, что:

a-лучи – поток достаточно быстрых ядер атомов гелия,

b-лучи – на самом деле поток быстрых электронов,

g-лучи – электромагнитное излучение высокой частоты.

Сложное строение атома

Выяснилось, что внутри ядра, внутри атома происходят некие сложные процессы, которые приводят к такому излучению. Вспомним, что само слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». И со времен Древней Греции все считали, что атом – это мельчайшая частица химического элемента со всеми его свойствами, и уже меньше этой частицы в природе не существует. В результате открытия радиоактивности, самопроизвольного излучения различных электромагнитных волн и новых частиц ядер атомов можно говорить о том, что и атом тоже является делимым. Атом тоже состоит из чего-то и имеет сложную структуру

Закон радиоактивного распада -описывает зависимость радиоактивного распада от времени и количестве радиоактивных атомов в данном образце

В формуле мы использовали :

N_0 — Начальное число радиоактивных ядре при t=0

T — Период полураспада

t — Время распада

\lambda — Постоянная распада (вероятность распада ядра в единицу времени)

I — Скорость распада

Решить задачу: