Радиоактивные превращения. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения. Основные разновидности радиоактивных превращений

Радиоактивностью называется способность атомных ядер превращаться в другие ядра с испусканием спектра частиц. Если превращение ядер происходит спонтанно (самопроизвольно), то радиоактивность называют естественной.

Если распад осуществляется искусственно, то радиоактивность искусственная.

Радиоактивность была открыта французским физиком Беккерелем в 1896 г., который впервые наблюдал испускание ураном проникающих излучений.

В1890 Резерфорд и Содди использовали естественную радиоактивность
(тория), а также радиоактивность легких элементов, вывели ряд закономерностей.

I. Естественная радиоактивность сопровождается тремя видами излучения.

1.  -излучение представляет поток положительно заряженных-частиц. Поток ядер
.

3. -излучение – электромагнитное излучение с короткой длиной волны ~ рент. лучей
Å.

II. Радиоактивность обусловлена внутренним строением ядер и не зависит от внешних условий

Более того, распад каждого ядра не влияет на распад других ядер.

III. Различные радиоактивные вещества сильно различаются между собой по количеству используемых радиоактивных излучений.

Радиоактивные вещества принято характеризовать количеством распадов в единицу времени.

Активность радиоактивного вещества

Оказалось, что количество распадов в секунду ~ общему количеству атомов радиоактивного вещества, то есть

- показывает, что число рад.ат. убывает

- постоянная радиоактивности и характеризует активность распада элемента

После интегрирования

- закон радиоактивного распада(Резерфорд)

- первоначальное количество радиоактивных ядер

- число нераспавшихся ядер к м.в.t

Продолжительность жизни радиоактивных ядер принято характеризовать периодом полураспада, то есть промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшится вдвое.

Исходя из этого определения легко найти связь между периодом полураспада и постоянной распада

среднее время жизни радиоактивных ядер определяется выражением

после интегрирования легко получит

, то есть период полураспада ядер

В экспериментах обычно измеряют активность вещества, то есть число распада ядер в 1 сек.

Однако чаще всего используется внесистемная единица

Существуют ядра с очень большим периодом полураспада (Уран 9500 лет) и существуют ядра и периодом полураспада несколько секунд (
- 5730 лет)

- распад – распад атомных ядер cиспусканием - частиц. Этот вид радиоактивности характерен для элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. В настоящее время насчитывается около 40 естественных и более 100 искусственно вызванных - излучателей. Однако все элементы -распада заPв

то есть в результате  -распада заряд ядра уменьшается на 2 ед., а А - на 4

Получаем

- распад имеет 2 особенности

1. Постоянная распада и энергия вылетевшей  -частицы оказались взаимосвязанными и подчиняется закону Гейгера Неттола

В 1 иВ 2 – эмпирические постоянные

Закон показывает, что чем меньше продолжительность жизни, тем больше энергия вылетевшей -частицы.

2. Энергия  -частиц при распаде заключена в узких пределах от
, что значительно меньше энергии, которую -частица должна бы получить после -распада при ускорении в электрическом поле ядра.

Энергия  -частицы оказалась малой по сравнению с потенциальным барьером ядра.

3. Наблюдается тонкая структура излучаемых  -частиц, то есть наблюдается некоторое распределение по энергии вблизи некоторого среднего значения. Причем это распределение дискретно.

Электронный захват

Занимает энергию у других нуклонов.

-распад был объяснен только по завершению построения квантовой механики и объясняется с ее позиции. Классической трактовке он не поддается.

- глубина потенциальной ямы, высота потенциального барьера 30 М эв

Согласно классической механики
-частицы (Е  ) не могут преодолеть потенциальный барьер.

В ядрах уже существуют по одной
-частице, которые движутся внутри ядра с энергией
.

Если бы не было потенциального барьера, то
-частица покинула бы ядро с энергией

- энергия, которую она потратила бы на преодоление сил притяжения в ядре.

Однако в силу того, что ядро имеет оболочку, которая приводит к увеличению потенциального барьера приблизительно на 30 М эв (см. черт.), то
-частица может покинуть ядро. Только просочившись через потенциальный объект. Согласно квантовой механики частица, обладающая волновыми свойствами, может просачиваться через потенциальный барьер без затрат энергии. Явление называетсятуннельным эффектом .

Применение
-распада обусловлено тем, что вероятность просачивания
-частиц через барьер зависит от размеров ядер. Можно оценить размеры ядра, зная энергию
-частицыЕ  .

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления.

Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. И эта энергия выделяется непрерывно на протяжении ряда лет.

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы!

Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита многовековой давности об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди (1877-1956).

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число распадов в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле . Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Резерфорд предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то газ, который также является радиоактивным. Этот газ он назвал эманацией . Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически оказывается равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-из лучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь ос-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

Примечание

Литература

Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 351-353.

С.Г.Кадменский
Воронежский государственный университет

Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения

В 1996 году физическая общественность отметила столетие со дня открытия радиоактивности атомных ядер. Это открытие привело к рождению новой физики, позволившей понять структуру атома и атомного ядра, и послужило воротами в странный и гармоничный квантовый мир элементарных частиц. Как и в случае многих выдающихся открытий, обнаружение радиоактивности произошло случайно. В начале 1896 года сразу после открытия В.К. Рентгеном X-лучей французский физик Анри Беккерель в процессе проверки гипотезы о флуоресцентной природе рентгеновского излучения обнаружил, что ураново-калиевая соль самопроизвольно, спонтанно, без внешних воздействий испускает жесткое излучение. Позже Беккерель установил, что данное явление, названное им радиоактивностью, то есть лучевой активностью, целиком связано с присутствием урана, который стал первым радиоактивным химическим элементом. Через несколько лет подобные свойства были обнаружены у тория, затем у полония и радия, открытых Мари и Пьером Кюри , а в дальнейшем у всех химических элементов, номера которых больше 82. С появлением ускорителей и ядерных реакторов у всех химических элементов были обнаружены радиоактивные изотопы, большинство которых практически не встречаются в естественных условиях.

ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ АТОМНЫХ ЯДЕР

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4 Не, а β-излучение состоит из электронов. Наконец, γ-излучение оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.
Очень любопытной оказалась природа β-распада ядер. Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми , который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе - "слабым" взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е - и антинейтрино (β - -распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е + и нейтрино ν (β + -распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком , связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.
Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.
Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры - атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.
В табл. 1 представлена история открытия различных видов радиоактивности. Исчерпаны ли ими все возможные виды радиоактивных превращений ядер, покажет время. А пока интенсивно продолжаются поиски ядер, которые испускали бы из основных состояний нейтрон (нейтронная радиоактивность) или два протона (двухпротонная радиоактивность) .

Таблица 1. История открытия различных видов радиоактивности

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АЛЬФА-РАСПАДЕ

Все виды радиоактивных превращений ядер удовлетворяют экспоненциальному закону:

N(t) = N(0)exp(-λt),

где N(t) - число радиоактивных ядер, выживших к моменту времени t > 0, если в момент t = 0 их число было N(0). Величина λ, совпадает с вероятностью распада радиоактивного ядра в единицу времени. Тогда время Т 1/2 , называемое периодом полураспада, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, определяется как

Т 1/2 = (ln2)/λ,.

Значения Т 1/2 для α-излучателей меняются в широком диапазоне от 10 -10 секунды до 10 20 лет в зависимости от величины энергии Q относительного движения α-частицы и дочернего ядра, которая при использовании законов сохранения энергии и импульса при α-распаде определяется как

Q = B(A-4,Z-2) + В(4,2) - В(А, Z),

где В(А, Z) - энергия связи родительского ядра. Для всех исследованных α-переходов величина Q > 0 и не превосходит 10 МэВ. В 1910 году Ганс Гейгер и Джордж Нэттол экспериментально обнаружили закон, связывающий период полураспада Т 1/2 с энергией Q:

где величины В и С не зависят от Q. Рисунок 1 иллюстрирует указанный закон для четно-четных изотопов полония, радона и радия. Но тогда появляется очень серьезная проблема. Потенциал взаимодействия V(R) α-частицы и дочернего ядра в зависимости от расстояния R между их центрами тяжести можно качественно представить следующим образом (рис. 2). На больших расстояниях R они взаимодействуют кулоновским образом и потенциал

На малых же расстояниях R в игру вступают короткодействующие ядерные силы и потенциал V(R) становится притягивающим. Поэтому в потенциале V(R) появляется барьер, положение R B максимума которого V B = V(R B ) лежит для тяжелых ядер с Z ≈ 82 в районе 10 -12 см, а величина V B = 25 МэВ. Но тогда возникает вопрос, как а-частица с энергией Q < V B может выйти из радиоактивного ядра, если в подбарьерной области величина ее кинетической энергии К = Q - V(R) становится отрицательной и с точки зрения классической механики движение частицы в этой области невозможно. Решение этой проблемы было найдено в 1928 году русским физиком Г.А. Гамовым . Опираясь на незадолго до того времени созданную квантовую механику, Гамов показал, что волновые свойства α-частицы позволяют ей с определенной вероятностью Р просачиваться через потенциальный барьер. Тогда, если принять, что α-частица существует в полностью сформированном виде внутри ядра, для вероятности его α-распада в единицу времени А, возникает формула

где 2ν - число ударов α-частицы о внутреннюю стенку барьера, определяемое частотой ν колебаний α-частицы внутри родительского ядра. Тогда, рассчитав квантово-механически величину Р и оценив v в простейших приближениях, Гамов получил для lgТ 1/2 закон Гейгера-Нэттола (1). Результат Гамова имел громадный резонанс в среде физиков, поскольку он продемонстрировал, что атомное ядро описывается законами квантовой механики. Но оставалась нерешенной главная проблема α-распада: откуда в тяжелых ядрах, состоящих из нейтронов и протонов, берутся α-частицы?

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ АЛЬФА-РАСПАДА

Многочастичная теория α-распада, в которой последовательно решается проблема формирования α-частицы из нейтронов и протонов родительского ядра, возникла в начале 50-х годов и в последние годы получила концептуальное завершение в работах некоторых физиков, включая автора и его сотрудников. Эта теория опирается на оболочечную модель ядра, обоснованную в рамках теории ферми-жидкости Л.Д. Ландау и А.Б. Мигдалом , в которой предполагается, что протон и нейтрон в ядре движутся независимым образом в самосогласованном поле, создаваемом остальными нуклонами. Используя оболочечные волновые функции двух протонов и двух нейтронов, можно найти вероятность, с которой эти нуклоны окажутся в -частичном состоянии. Тогда формулу Гамова (2) можно обобщить как

где W if и есть вероятность формирования альфа-частицы из нуклонов родительского ядра i с образованием конкретного состояния f дочернего ядра. Расчеты величин W if продемонстрировали принципиальную важность учета сверхтекучих свойств атомных ядер для понимания природы альфа-распада.
Немного истории. В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимости некоторых металлов, для которых при температурах ниже определенной критической сопротивление скачком падает до нуля. В 1938 году П.Л. Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия 4 Не, состоящее в том, что при температурах ниже некоторой критической жидкий гелий протекает через тонкие капиллярные трубки без трения. Оба этих явления долгое время рассматривались как независимые, хотя многие физики интуитивно чувствовали их родственность. Сверхтекучесть жидкого гелия была объяснена в работах Н.Н. Боголюбова и С.Т. Беляева тем, что в нем при низких температурах осуществляется бозе-конденсация, при которой большинство атомов гелия аккумулируются в состоянии с нулевым импульсом. Это возможно потому, что атомы гелия имеют спин, равный нулю, и поэтому являются бозе-частицами, которые могут в любых количествах находиться в определенном квантовом состоянии, например в состоянии с импульсом, равным нулю. В отличие от атомов гелия электроны, протоны и нейтроны имеют полуцелый спин и являются ферми-частицами, для которых справедлив принцип Паули, разрешающий находиться в определенном квантовом состоянии только одной частице. Объяснение сверхпроводимости металлов основано на явлении, предсказанном Л. Купером, когда два электрона в сверхпроводнике образуют связанную систему, получившую название куперовской пары. Полный спин этой пары равен нулю, и ее можно рассматривать как бозе-частицу. Тогда в сверхпроводнике происходит бозе-конденсация куперовских пар с импульсами, равными нулю, и в них возникает явление сверхтекучести этих пар, родственное явлению сверхтекучести жидкого гелия. Сверхтекучесть куперовских пар и формирует сверхпроводящие свойства металлов. Таким образом, два явления, формально относящиеся к различным разделам физики, - сверхпроводимость и сверхтекучесть - оказались родственными физически. Природа не любит терять свои прекрасные находки. Она использует их в различных физических объектах. Это и формирует единство физики.
В 1958 году Oге Бор высказал гипотезу о существовании сверхтекучих свойств у атомных ядер. Практически за один год эта гипотеза была полностью подтверждена и реализована в создании сверхтекучей модели атомного ядра, в которой принимается, что пары протонов или нейтронов объединяются в куперовские пары со спином, равным нулю, а бозе-конденсация этих пар формирует сверхтекучие свойства ядер.
Поскольку α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов с суммарными спинами, равными нулю, то ее внутренняя симметрия совпадает с симметрией куперовских пар протонов и нейтронов в атомных ядрах. Поэтому вероятность формирования α-частицы W if максимальна, если она образуется из двух куперовских пар протонов и нейтронов. α-Переходы подобного типа называются облегченными и происходят между основными состояниями четно-четных ядер, где все нуклоны спарены. Для таких переходов в случае тяжелых ядер с Z > 82 величина W if = 10 -2 . Если в состав α-частицы входит только одна куперовская пара (протонная либо нейтронная), то подобные α-переходы, характерные для нечетных ядер, называются полуоблегченными и для них W if = 5*10 -4 . Наконец, если -частица формируется из неспаренных протонов и нейтронов, то α-переход называется необлегченным и для него величина W if = 10 -5 . Опираясь на сверхтекучую модель ядра, автору и его сотрудникам к 1985 году удалось успешно описать на основе формул типа (3) не только относительные, но и абсолютные вероятности α-распада атомных ядер.

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ ПРОТОННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ

Для надежного наблюдения протонного распада атомных ядер из основных и низколежащих возбужденных состояний необходимо, чтобы энергия относительного движения протона и дочернего ядра Q была положительной и в то же время заметно меньше высоты протонного потенциального барьера V B , чтобы время жизни протонораспадного ядра было не слишком малым для его экспериментального исследования. Такие условия, как правило, выполняются лишь для сильно нейтронодефицитных ядер, получение которых стало возможным лишь в последние годы. В настоящее время обнаружено более 25 протонных распадчиков из основных и изомерных (достаточно долгоживущих) возбужденных состояний ядер. С теоретической точки зрения протонный распад выглядит существенно проще, нежели α-распад, поскольку протон входит в состав ядра, и поэтому казалось, что можно воспользоваться формулами типа формулы (2). Однако очень скоро стало ясно, что практически все протонные переходы чувствительны к структуре родительского и дочерних ядер и необходимо использовать формулу (3), причем для расчета вероятностей W if автору с сотрудниками пришлось развить многочастичную теорию протонной радиоактивности с учетом сверхтекучих эффектов. На основе этой теории удалось успешно описать все наблюдаемые случаи протонного распада, включая особенно непонятный случай распада долгоживущего изомерного состояния ядра 53 Со, и сделать предсказания относительно новых наиболее вероятных кандидатов для наблюдения протонной радиоактивности. В то же время было продемонстрировано, что большинство протонораспадных ядер являются несферическими в отличие от первоначальных представлений.

КЛАСТЕРНЫЙ РАСПАД АТОМНЫХ ЯДЕР

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от 221 Fr до 241 Аm, испускающих из основных состояний кластеры типа 14 С, 20 О, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si и 34 Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера V B . В то же время все исследованные кластерно-радиоактивные ядра являются и α-распадными, причем отношения вероятности кл их кластерного распада в единицу времени к аналогичной вероятности λ α для α-распада уменьшаются при увеличении массы вылетающего кластера и лежат в диапазоне от 10 -9 до 10 -16 . Столь малые значения подобных отношений никогда ранее не анализировались для других видов радиоактивности и демонстрируют рекордные достижения экспериментаторов при наблюдении кластерного распада.
В настоящее время развиваются два теоретических подхода к описанию динамики кластерного распада атомных ядер, являющиеся фактически двумя возможными предельными случаями. Первый подход рассматривает кластерный распад как глубокоподбарьерное сильно асимметричное по массам образующихся осколков спонтанное деление. При этом родительское ядро, находящееся в состоянии а до момента разрыва в плавно перестраивается, заметно изменяя свою форму и проходя через промежуточную конфигурацию б , что иллюстрирует рис. 3. Описание такой перестройки осуществляется на основе коллективных моделей ядра, являющихся обобщением гидродинамической модели. Этот подход сталкивается в настоящее время со значительными трудностями при описании тонких характеристик кластерного распада.

Второй подход строится по аналогии с теорией α-распада. В этом случае описание перехода к конечной конфигурации в осуществляется без введения промежуточной конфигурации б сразу из конфигурации а на языке формулы типа (3) с использованием понятия вероятности формирования кластера W if . Хорошим аргументом в пользу второго подхода является тот факт, что для кластерного распада, как и в случае α-распада, выполняется закон Гейгера- Нэттола (1), связывающий кластерный период полураспада Т 1/2 и энергию Q. Этот факт иллюстрирует рис. 4. В рамках второго подхода автору и его сотрудникам удалось по аналогии с α-распадом провести классификацию кластерных переходов по степени облегченноcти, используя идеологию сверхтекучей модели ядра, и предсказать тонкую структуру в спектрах вылетающих кластеров. Позже указанная структура была обнаружена в экспериментах французской группы в Сакле. Данный подход позволил также разумно описать масштаб относительных и абсолютных вероятностей известных кластерных распадов и сделать предсказания по наблюдению кластерной радиоактивности у новых кластерно-распадных ядер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования различных видов радиоактивности атомных ядер продолжаются и в настоящее время. Особый интерес проявляется к изучению протонного распада ядер, поскольку в этом случае удается получить уникальную информацию о структуре ядер, лежащих за пределами границ нуклонной устойчивости ядер. Совсем недавно коллектив физиков под руководством профессора К. Дэвидса в Аргоннской национальной лаборатории (США) синтезировал сильно нейтронодефицитное ядро 131 Eu и обнаружил не только протонный распад, но и впервые тонкую структуру его протонного спектра. Анализ этих явлений на основе теории, развитой автором, позволил убедительно подтвердить представление о сильной несферичности этого ядра.
Иллюстрацией интереса к подобным исследованиям является статья журналиста М. Брауни под названием "Взгляд на необычные ядра изменяет точку зрения на атомную структуру", появившаяся в мартовском номере газеты "Нью-Йорк тайме" в 1998 году, в которой в популярной форме рассказывается о результатах, полученных аргоннской группой, и способах их интерпретации.
Приведенный выше обзор, иллюстрирующий развитие представлений о природе радиоактивности атомных ядер за целое столетие, демонстрирует явное ускорение темпов получения новых знаний в этой области особенно в последние 25 лет. И хотя ядерная физика является достаточно развитой в экспериментальном и теоретическом смысле наукой, несомненно, что продолжающиеся в ее рамках, а также на стыке с другими науками исследования способны уже в ближайшее время подарить человечеству новые очень красивые и удивительные результаты.

Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых , удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых , очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии . Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались -, - и -лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался. Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж. И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы. Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов счавится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число -частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле. Если лее препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменыпается. Ученый предположил, что одновременно с -частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.

Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.

Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным 1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - -частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых -излучением.

Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совернгенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения 2 .

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях ».

1 От латинского слова spontaneus самомроиапольный.
2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра.

После того как было открыто атомное ядро, сразу же cталo ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь -частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.

Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.

Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при -распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа. Например, водород обозначается символом . Для -частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При -распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, - электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при -распаде часть энергии. Образованием антинейтрино сопровождается -распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.

После -распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.

Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.

При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.

Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде!

Тип урока
Цели урока :

Продолжить изучение явления радиоактивности;

Изучить радиоактивные превращения(правила смещения и закон сохранения зарядового и массового чисел).

Изучить фундаментальные экспериментальные данные, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии.
Задачи :
образовательная
развивающая
воспитательная

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок по теме « Радиоактивные превращения атомных ядер».

Учитель физики I категории Медведева Галина Львовна

Тип урока : урок изучения нового материала
Цели урока :

Продолжить изучение явления радиоактивности;

Изучить радиоактивные превращения(правила смещения и закон сохранения зарядового и массового чисел).

Изучить фундаментальные экспериментальные данные, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии.
Задачи :
образовательная - ознакомление учащихся с правилом смещения; расширение представлений учащихся о физической картине мира;
развивающая – отработать навыки физической природы радиоактивности, радиоактивных превращений, правил смещения по периодической системе химических элементов; продолжить развитие навыков работы с таблицами и схемами; продолжить развитие навыков работы: выделении главного, изложение материала, развитие внимательности, умений сравнивать, анализировать и обобщать факты, способствовать развитию критического мышления.
воспитательная – способствовать развитию любознательности, формировать умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.

Конспект урока:

Текст к уроку .

Добрый день все присутствующие на сегодняшнем нашем уроке.

Учитель: Итак, мы находимся на втором этапе исследовательской работы по теме «Радиоактивность». В чём он заключается? То есть сегодня мы будем изучать радиоактивные превращения и правила смещения. ---- Это предмет нашего исследования и соответственно тема урока

Оборудование для исследования : таблица Менделеева, рабочая карта, сборник задач, кроссворд (один на двоих).

Учитель, Эпиграф: «В свое время, когда явление радиоактивности было открыто, Эйнштейн сравнил его с добычей огня в древности, так как он считал, что огонь и радиоактивность-одинаково крупные вехи в истории цивилизации».

Почему он так считал?

Учащиеся нашего класса провели теоретические исследования и вот результат:

Сообщение учащегося:

1. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-,β-,γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия выделяет за 1 час около 582 Дж энергии. И такая энергия выделяется на протяжении ряда лет.
2. Образовании 4г граммов гелия сопровождается выделением такой же энергии, как при сгорании 1,5-2 тонн угля.
3. Энергия, заключенная в 1г урана, равна энергии, выделяющейся при сгорании 2,5 т нефти.

На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не менялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Каждый из нас не только находится «под присмотром» радиационной неусыпной «няньки», каждый из нас немножко радиоактивен и сам по себе. Источники радиации находятся не только вне нас. Когда мы пьем, мы с каждым глотком вводим внутрь организма какое-то число атомов радиоактивных веществ, то же происходит, когда мы едим. Более того, когда мы дышим, наш организм вновь получает из воздуха что-нибудь, способное к радиоактивному распаду - может быть, радиоактивный изотоп углерода С-14 , может быть калия К-40 или какой-то другой изотоп.

Учитель: Откуда же берется такое количество радиоактивности, постоянно присутствующей вокруг и внутри нас?

Собщение учащихся:

По данным ядерной геофизики в природе достаточно много источников природной радиоактивности. В породах земной коры, в среднем, на одну тонну пород приходится 2,5 – 3 грамма урана, 10 – 13 г тория, 15 – 25 г калия. Правда, радиоактивного К-40 всего до 3 миллиграмм на тонну. Все это обилие радиоактивных, неустойчивых ядер непрерывно, самопроизвольно распадается. Каждую минуту в 1 кг вещества земных пород распадается в среднем 60 000 ядер К-40 , 15 000 ядер изотопа Rb-87 , 2400 ядер Th-232 , 2200 ядер U-238 . Полная величина естественной радиоактивности - около 200 тыс. распадов в минуту. А знаете ли вы, что естественная радиоактивность различна у мужчин и женщин? Объяснение этого факта очевидно - мягкие и плотные ткани у них имеют различную структуру, по-разному поглощают и накапливают радиоактивные вещества .

ПРОБЛЕМА: Какие же уравнения, правила, законы описывают данные реакции распадов веществ?

Учитель: Какую проблему мы будем с вами решать? Какие пути решения проблемы вы предлагаете?

Учащиеся работают и делают свои предположения.

Ответы учеников:

Пути решения:

Ученик 1: Вспомнить основные определения и свойства радиоактивного излучения.

Ученик 2: Используя предложенные уравнения реакций (по карте), получить общие уравнения для радиоактивных реакций превращения с помощью таблицы Менделеева, сформулировать общие правила смещения для альфа- и бета – распадов.

Ученик 3 : Закрепить полученные знания, чтобы применять их для дальнейших исследований(решения задач).

Учитель.

Хорошо. Приступим к решению.

Этап 1.Работаем с картами . Вам даны вопросы, на которые вы должны дать письменные ответы.

Пять вопросов- пять правильных ответов. Оцениваем по пятибалльной системе.

(Дать время на работу, затем устно озвучиваем ответы, сверяем со слайдами, сами себе выставляем оценку, согласно критериям).

1. Радиоактивность - это…
2. α-лучи – это…
3. β-лучи – это….
4. γ-излучение - ….
5. Сформулировать закон сохранения зарядового и массового чисел.

ОТВЕТЫ И БАЛЛЫ:

ЭТАП 2. Учитель.

Работаем самостоятельно и у доски(3 уч-ся).

А) Записываем уравнения реакций, которые сопровождаются выделением альфа-частиц.

2. Написать реакцию α-распада урана 235 92 U.

3. .Напишите альфа-распад ядра полония

Учитель :

ВЫВОД №1:

В результате альфа- распада массовое число полученного вещества уменьшается на 4 а.е.м, а зарядовое число на 2 элементарных заряда.

Б) Записываем уравнения реакций, которые сопровождаются выделением бета- частиц(3 уч-ся у доски).

1. . Написать реакцию β-распада плутония 239 94 Pu .

2. Напишите бета-распад изотопа тория

3.Написать реакцию β-распада кюрия 247 96 Cm

Учитель : Какое общее выражение мы можем с вами записать и сделать соответствующий вывод?

ВЫВОД №2:

В результате бета-распада массовое число полученного вещества не изменяется, а зарядовое число увеличивается на 1 элементарный заряд.

ЭТАП 3.

Учитель: В свое время после того, как были получены данные выражения, ученик Резерфорда Фредерик Содди, предложил правила смещения для радиоактивных распадов , с помощью которых образовавшиеся вещества можно найти в таблице Менделеева. Посмотрим на полученные нами уравнения.

ВОПРОС:

1). КАКАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ АЛЬФА-РАСПАДЕ?

ОТВЕТ: При альфа – распаде образовавшееся вещество смещается на две клетки к началу таблицы Менделеева.

2). КАКАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ БЕТА-РАСПАДЕ?

ОТВЕТ: При бета – распаде образовавшееся вещество смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева.

ЭТАП 4.

Учитель. : И последний на сегодня этап нашей деятельности:

Самостоятельная работа (по сборнику задач Лукашика):

Вариант 1.

Вариант2.

ПРОВЕРКА: на доске, самостоятельно.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ:

«5» - выполнены з задания

«4»- выполнены 2 задания

«3»- выполнено 1 задание.

САМООЦЕНКА ЗА УРОК:

ЕСЛИ ОСТАНЕТСЯ ВРЕМЯ:

Вопрос к классу:

Какую тему вы сегодня изучали на уроке? Отгадав кроссворд, вы узнаете название процесса выхода радиоактивного излучения.

1. Кто из ученых открыл явление радиоактивности?

2.Частица вещества.

3. Фамилия ученого, определившего состав радиоактивного излучения.

4. Ядра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов – это…

5. Радиоактивный элемент, открытый супругами Кюри.

6. Изотоп полония альфа-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?

7. Имя женщины - ученой, ставшей Нобелевским лауреатом дважды.

8. Что находиться в центре атома?