Атомная физика на огэ. вся теория и разбор заданий от преподавателя maximum

Радиоактивность — что это за явление

Понятие «радиоактивность» было введено Марией Склодовской-Кюри. Оно тождественно понятию радиоактивный распад.

В определении присутствует термин изотоп. Прежде чем рассмотреть его, вспомним определение нуклида. 

Для обозначения определенного нуклида используют запись вида 

X ZA, 

где X — символ химического элемента, A — массовое (нуклонное) число, Z — зарядовое (протонное) число.

Количество нейтронов в ядре N=A−Z 

Это значит, что в изотопах одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. 

Всего известно более двух тысяч радиоактивных изотопов. Для сравнения, стабильных открыто около 280.

Ученые разделяют нуклиды на стабильные и нестабильные. Нестабильные, также известные как радионуклиды, со временем распадаются. Стабильные же способны существовать в неизменном виде неопределенно долгий промежуток времени.

Суть явления радиоактивности заключается в том, что при распаде ядра нестабильного атома из него с большой скоростью вылетает целое число частиц с высокой энергией. Вещества, которые содержат радиоактивные ядра, называют радиоактивными. 

В современной химии выделяют естественную и искусственную радиоактивность. 

Примером естественной радиоактивности служит солнечная радиация. В ядре солнца постоянно происходят термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий. 

Техногенная радиоактивность применяется людьми. Например, на атомных электростанциях электрическую энергию получают за счет искусственно созданных ядерных реакций.

В результате экспериментов было установлено, что в периодической системе Менделеева радиоактивны все элементы, начиная с висмута. Их порядковый номер больше 82.

Единицы измерения

В химии существует несколько единиц измерения радиоактивности:

• беккерель;
• кюри;
• резерфорд.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения активности радионуклида является беккерель. На русском языке он обозначается как Бк, в международном формате — Bq. 

Эту единицу назвали в честь Антуана Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности. Один Беккерель равен одному распаду в секунду.

Бк=с-1

В Международной СИ секунде в минус первой степени равен не только беккерель, но и герц

Важно не путать их: беккерель используют для измерения случайных процессов распада, а герц — для периодических процессов. Их природа различна

Один Беккерель — это маленькая единица измерения, так что на практике принято использовать кратные единицы.

Внесистемная, но широко распространенная единица — кюри. Ее используют для измерения активности радионуклидов. На русском обозначается как Ки, в международных исследованиях — Ci. Названа она в честь Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри.

Точно установлена связь между значениями Ки и Бк:

1 Ки = 3,7⋅1010 Бк

Перевести значения из Бк в Ки сложнее, т.к. соотношение приблизительно:

1 Бк ≈ 2,7027⋅10-11 Ки

Еще одна единица измерения, которой в современности пользуются редко — резерфорд. Его обозначают как Рд или Rd в русском и международном стандартах соответственно. Единица тоже названа в честь ученого — Эрнеста Резерфорда, также изучавшего природу радиоактивности.

Один резерфорд равен 10^6 распадам в 1 секунду. Точно равенство:

1 Рд = 1⋅106 Бк = 1 МБк 

В дозиметрии используют свои единицы облучения:

• грэй;
• зиверт;
• бэр.

Поглощенную дозу в Международной СИ измеряют в единицах грэй (Гр). Один грэй равен энергии излучения в 1 Дж, поглощенной 1 кг вещества.

Эквивалентную дозу, т.е. произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения, в Си измеряют в зивертах. Один зиверт эквивалентен излучению, создающему такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр гамма-излучения или рентгеновского излучения.

1 Зв = 1 Джкг

Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы — бэр. Бэр расшифровывается как «биологический эквивалент рентгена». 

За один бэр принято считать такое количество энергии излучения, поглощенного 1 кг вещества, при котором биологическое воздействие соответствует поглощенной дозе в 1 рад гамма-излучения или рентгеновского излучения. То есть:

1 бэр=,01 Зв=100 эргг

Для измерения воздействия радиации используют также понятие мощность дозы. Это доза, полученная объектом за выбранную единицу времени.

§ 39. Закон радиоактивного распада

При всем разнообразии реакций самопроизвольного (спонтанного) распада ядер в этом процессе наблюдается общая закономерность, которую можно описать математически. Интересно, что зависимость количества распавшихся ядер от времени задается одной и той же функцией для различных ядер, участвующих в распаде. Перейдем к количественному описанию процессов радиоактивного распада.

Большинство изотопов любого химического элемента превращается в более устойчивые изотопы путем радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент распадается со своей, присущей только ему «скоростью». При этом для каждого радиоактивного ядра существует характерное время, называемое периодом полураспада , спустя которое в исходном состоянии остается половина имевшихся ядер. Таким образом, периодом полураспада называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества  радиоактивных ядер. Другая половина ядер превращается в более устойчивые изотопы посредством распада.Отметим, что период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада радиоактивного вещества не зависит от его количества, от времени, места и условий, в которых оно находится. Поэтому количество радиоактивных ядер «тогда»  и «сейчас»  непосредственно определяет промежуток времени ,  прошедший с момента уменьшения числа ядер от  до .Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако можно оценить среднее число ядер, которые распадутся за данный промежуток времени. Таким образом, закон радиоактивного распада является статистическим и он справедлив только при достаточно большом количестве радиоактивных ядер.

Для записи закона радиоактивного распада будем считать, что в начальный момент времени () число радиоактивных ядер . Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет , еще через такой же промежуток времени —  (рис. 218). Спустя промежуток времени, равный n периодам полураспада , радиоактивных ядер останется:

(1)

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом:

число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Полученное выражение хорошо описывает распад радиоактивных ядер, если их количество достаточно велико.Приведем экспериментальные результаты, которые показывают, что при малом количестве радиоактивных ядер это выражение неприменимо. На рисунке 219 изображен график распада 47 ядер изотопа фермия , период полураспада которого .  Из рисунка 219 видно, что пока ядер было достаточно много — от 47 до 12, то показательная функция хорошо описывала закон распада. Однако при меньшем числе ядер истинная зависимость существенно отличается от показательной функции.Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов веществ приведены в таблице 11.

Таблица 11. Периоды полураспада радиоактивных изотопов веществ
Вещество	Период полураспада
	30,17 лет
	5,3 года
	8,04 суток
	24 390 лет
	1600 лет
	3,8 суток
	700 млн лет
	4,5 млрд лет

Впервые процесс радиоактивного распада для измерения промежутков времени был использован в 1904 г. Резерфордом. По отношению концентрации урана и его дочернего продукта распада (гелия) он определил возраст урановой породы. Эта работа положила начало ядерной геохронологии — определению возраста различных минералов Земли по радиоактивным долгоживущим веществам. В дальнейшем исследование процессов ядерного синтеза позволило перейти к ядерной космохронологии, т.е. к определению продолжительных промежутков времени, прошедших с момента образования элементов в масштабах Галактики и Вселенной. В основу ядерной космохронологии положена неизменность «скорости» радиоактивного распада. В 1927 г. американский ученый Г. Блюмгарт, используя изотоп  , впервые определил скорость кровотока у людей. В 1934 г. венгерский ученый Дьердь фон Хевеши, используя дейтерий, впервые установил, что в организме человека вода полностью обновляется в течение 14 суток.  В 1943 г. Дьердь фон Хевеши была присуждена Нобелевская премия по химии «за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений

Изучением радиоактивного излучения также занимался английский физик Эрнест Резерфорд. Он первый поставил эксперимент, который позволил обнаружить сложный состав этого излучения. Ученый собрал установку, изображенную на рисунке ниже.

Резерфорд поместил препарат радия на дно узкого канала в куске свинца. Напротив открытого конца канала он расположил фоточувствительную пластинку. В результате излучение от радия исходила из канала и попадало на эту пластинку. Но ученый расположил магнит так, что излучающимся частицам приходилось проходить сквозь созданное им магнитное поле. Для чистоты эксперимента вся установка помещалась в сосуд с откачанным воздухом (в вакуум).

Если магнит убрать, то на фотопластинке обнаруживалось лишь одно темное пятно напротив канала. Но если вернуть магнит на место, то пучок распадается на 3 части. Причем одна часть первичного потока сохранила свое направление (пятно получилось напротив пластинки), а две другие его составляющие отклонялись в противоположные стороны.

Как это можно объяснить? Известно, что в магнитом поле меняют свое направление движения только заряженные частицы. Следовательно, опыт продемонстрировал наличие электрических зарядом у двух пучков (у одного из них заряд оказался нейтральным, так как направление изменено не было). Узнать знак этих пучков можно, применив правило левой руки. Так, один из них оказался положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным.

Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения. Их разделили на 3 вида и дали им следующие названия:

• Альфа-излучение — поток положительно заряженных α-частиц. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия (ядра гелия), летящие со скоростью 14–20 тыс. км/с.
• Бета-излучение — поток отрицательно заряженных β-частиц, или электронов. Они летят со скоростью, приближенной к скорости света (около 0,999c).
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов.

В чем же заключается физическая сущность явления радиоактивности? Чтобы ответить на вопрос, нужно провести исследование самого радиоактивного вещества.

Опыты по изучению радиоактивности, проводимые Резерфордом вместе с английским ученым Ф. Содди, дали понять, что во время радиоактивного излучения исходный химический элемент превращается в другое химический элемент. Такое превращение ученые назвали радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад — превращение радиоактивного вещества в другой химический элемент, сопровождающееся радиоактивным излучением.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Виды распадов:

α-распад. Ядро теряет одну α-частицу, в результате чего оно теряет массу, равную 4 атомным единицам массы (а.е.м.). При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 2 клетки к началу периодической системы Менделеева.

Символически α-распад можно записать так:

M.ZX→M−4.Z−2Y+42He

M.ZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, M−4.Z−2Y — новый химический элемент с массовым числом (M–4) и зарядовым числом (Z–2), 42He — излучаемая α-частица.

β-распад. Ядро теряет одну β-частицу (электрон), в результате чего он меняет заряд на 1 единицу, а его масса почти не изменяется. При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 1 клетку к концу периодической системы Менделеева.

Символически β -распад можно записать так:

M.ZX→.MZ+1Y+−1e

M.ZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, .MZ+1Y — новый химический элемент с массовым числом M и зарядовым числом (Z+1), −1e — излучаемый электрон.

Внимание! Фактически при β-распаде один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона. γ-распад

Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется

γ-распад. Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется.

Пример №1. Записать правило α-распада вещества 238.92U.

Для записи формулы используем формулу:

M.ZX→M−4.Z−2Y+42He

Зарядовое число уменьшится на 2: 92–2 = 90. Этому порядковому номеру соответствует вещество торий.

Массовое число уменьшится на 4: 238–4 = 234.

Следовательно:

238.92U→234.90Th+42He

Термины

• Радиоактивный распад – любой процесс, в котором лишенное устойчивости ядро выпускает субатомные частички или ионизирующие лучи.
• Альфа-частицы – ядро атома гелия-4 с положительным зарядом, созданное в радиоактивном процессе.

Альфа-распад – разновидность радиоактивного распада, где атомное ядро высвобождает альфа-частичку, представленную двумя протонами и двумя нейтронами. В итоге изначальный атом формирует новый, чье массовое число меньше на 4, а атомное число – на 2.

Выступает разновидностью радиоактивного распада. Атомное ядро высвобождает альфа-частичку и трансформирует в атом с массовым числом, уменьшенным на 4, и атомным, сокращенным на 2

К примеру: 238U → 234Th + α

Альфа-частица соответствует ядру ​​гелия-4 с массовым числом 4 и атомным 2: 238

₉₂U → 234

₉₀Th + 4

₂He

Альфа-частички также обладают зарядом 2+, но он чаще всего не записывается в ядерных формулах. Но это не значит, что ядра встречаются в нейтральных атомах.

Альфа-распад – наиболее распространенный тип распада скоплений, где изначальный атом высвобождает дочернюю коллекцию нуклонов. Этот тип также встречается чаще всего из-за связи с высокой энергией и небольшой ядерной массой.

Радиоактивный альфа-распад обычно наблюдается в наиболее тяжелых нуклидах. Теоретически процесс возможен исключительно в ядрах, превышающих по массе никель, где общая связующая энергия на нуклон уже не будет минимальной. Поэтому нуклиды лишены устойчивости в условиях спонтанных процессов.

Кинетическая энергия альфа-частиц – 5 МэВ, а скоростной показатель – 15000 км/с. Небольшие перемены в энергии основываются на серьезной зависимости полураспада от произведенной энергии.

Относительно большая масса, +2 электрического заряда и низкие скоростные показатели приводят к тому, что альфа-частички контактируют с другими атомами, теряя свою энергию.

Большая часть созданного на Земле гелия (99%) – результат альфа-распада подземных минералов, вмещающих уран или торий. Гелий оказывается также на поверхности при добыче природного газа.

Ядро	Ядерный размер и плотность Ядерная стабильность Энергетические и ядерные силы
Радиоактивность	Природная радиоактивность Детектор излучения Ряды радиоактивного распада Альфа-распад Бета-распад Гамма-распад Углерод-14 Расчеты с периодами полураспада
Законы квантового туннелирования и сохранения	Квантовое туннелирование Сохранение нуклеонового числа и других законов
Применение ядерной физики	Медицинская визуализация и диагностика Дозиметрия Биологические эффекты радиации Терапевтическое использование радиации Радиация от еды Меченый атом Термоядерная реакция Ядерное деление в реакторах Эмиссионная томография Ядерное оружие Компьютерная томография и МРТ

Разновидности излучения, свойства и характеристики

Ученые выделили 3 вида излучения:

• альфа-излучение (α) — поток ядер гелия (их называют альфа-частицами);
• бета-излучение (β) — поток электронов;
• гамма-излучение (γ) — электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

На основе излучения выделяют 3 основных типа радиоактивного распада:

• альфа-распад;
• бета-распад;
• гамма-распад, или изомерный переход.

Известны также распады с испусканием протонов (одного или двух), нейтрона и кластерная радиоактивность.

Процесс радиоактивного распада может быть продолжительным. Если дочернее ядро, полученное в результат радиоактивного распада, также является радиоактивным, то со временем и оно распадается. Так продолжается, пока не образуется стабильное нерадиоактивное ядро.

При этом некоторые изотопы могут одновременно испытывать более одного вида распада.

Альфа-распад 

Альфа-распад, т.е. поток положительно заряженных частиц, характерен для изотопов всех тяжелых элементов, начиная с висмута. 

Альфа-частицы покидают ядро со скоростью от 9400 до 23700 км/с. При этом в воздухе при нормальных условиях альфа-излучение способно преодолеть лишь расстояние от 2,5 до 7,5 см. 

Эффективно задержать радиоактивное излучение альфа-частиц можно несколькими десятками микрометров плотного вещества. К примеру, листом бумаги или даже ороговевшим слоем кожи — человеческим эпидермисом. Это делает его относительно безопасным для человека. 

Однако если источник альфа-излучения все же попадет в организм (например, в виде пыли), это может привести к серьезным последствиям. Альфа-частицы наносят примерно в 20 раз больше повреждений, чем бета- и гамма-частицы той же энергии. 

Рассмотрим правило смещения Содди для α-распада:

X ZA→Y Z-2A-4+H 24e

ПримерКак уже было описано ранее, процесс радиоактивного распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Рассмотрим такую цепочку на основе альфа-распада урана-238:

U 92238→α-распадT 90234h+H 24e→αR 88230a+H 24e→αR 86226n+H 24e→αP 84222o+H 24e→αP 82218b+H 24e

Бета-распад 

Бета-излучение как отрицательное излучение малой массы обладает большей проникающей способностью, нежели альфа-частицы. Задержать его можно алюминиевой фольгой.

Среди всех видов радиоактивного распада бета-распад является наиболее распространенным. Он особенно характерен для искусственных радионуклидов.

Выделяют несколько подвидов бета-распада:

• бета-минус распад;
• бета-плюс распад;
• электронный захват.

Бета-минус распад представляет собой испускание из ядра электрона, образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. Такой электрон называют бета-минус частицей.

Правило смещения Содди для β—распада:

X ZA→Y Z+1A+e -1+ν¯e

Бета-плюс распад, или позитронный распад сопровождается испусканием из ядра позитрона (античастицы электрона), образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. Получившуюся частицу называют бета-плюс частицей.

Правило смещения Содди для β+-распада:

X ZA→Y Z-1A+e++νe

Позитронный распад всегда сопровождается электронным захватом. Ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино. Заряд ядра также уменьшается на единицу.

Правило смещения Содди для электронного захвата:

X ZA+e-→Y Z-1A+νe

Гамма-распад

Гамма-распад чаще называют изомерным переходом. Такое название обосновано существованием изомерных состояний ядер. Большинство ядер способны существовать в возбужденном состоянии очень малое количество времени — менее наносекунды. Некоторые ядра способны существовать дольше — микросекунды, сутки или даже года. Такие долгоживущие состояния и называют изомерными.

При гамма-распаде изомерные состояния ядер переходят в основное состояние с излучением одного или нескольких гамма-квантов. 

Гамма-излучение обладает намного большей проникающей способностью, чем альфа- и бета-излучение. Оно не имеет электрического заряда, обладает огромной энергией и может быть остановлено только толстым слоем железобетона, стали, свинца или другого серьезного препятствия.

Физика атома и ядра (курс лекций)

12 Альфа-распад

Явление α — распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α — частицы. Происходит самопроизвольное деление атомного ядра на α — частицу (ядро атома гелия ₂He4) и ядро-продукт. При этом массовое число нового ядра уменьшается на четыре единицы, а его зарядовое число ( атомный номер) — на две:

Частота характеризует скорость повторяемости колебательного движения. Частоту измеряют количеством полных колебаний за единицу времени

ZXA→2He4+Z-2YA-4.

(1)

Исходное ядро _ZXA называется материнским, а ядро-продукт _Z-2YA-4 — дочерним. Известны следующие характерные эмпирические особенности α — распада:

• Альфа-распад идет только для тяжелых ядер при значениях зарядового числа Z≥82

• Периоды полураспада α радиоактивных ядер варьируются в широчайших пределах от 1,4·1017 до 10-6 с.

• Альфа-частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию, но для разных ядер эти энергии варьируются в диапазоне от 3,99 МэВ до 8,78 МэВ.

Закон сохранения массы-энергии для α — распада имеет вид

mXc2=mYc2+mαc2+KY+Kα,

(2)

где K_Y,K_α — соответственно кинетические энергии дочернего ядра и частицы. Материнское ядро считается неподвижным, поэтому K_X=0. Энергетический эффект α — распада — разность энергий материнского ядра и продуктов распада равен сумме кинетических энергий этих новых частиц:

Q=[mX-(mY—mя)]c2=KY+Kα.

(3)

Энергетический эффект α — распада можно определить соотношением

Q=Eсв(A-4,Z-2)-Eсв(Z,A)-Eсв(α).

(4)

Примером α — радиоактивного изотопа может служить первый из открытых радиоактивных изотопов — изотоп урана ₉₂U238. Схема его распада имеет вид

92U238→2He4+9Th234.

(5)

Кинетическая энергия частицы равна 4,18 МэВ, а кинетическая энергия изотопа тория равна 0,07 МэВ.

В большинстве случаев испускается несколько групп частиц близкой, но различной энергии. Этим обусловлена тонкая структура α — спектра. Причина заключается в том, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, состоянии, но и в возбужденных состояниях. В возбужденном состоянии ядро находится в среднем порядка 10-8÷10-16 с. Затем переходит либо в основном состоянии, либо в менее возбужденном состоянии, но, в конечном счете, все же окажется в основное состояние. Когда ядро переходит в менее возбужденное состояние, оно излучает фотоны высокой энергии, которые обычно называют γ — фотонами. Таким образом, альфа-распад сопровождается γ — излучением. Однако ядро может передать избыток энергии непосредственно одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон покидает атом. Это явление называется электронной конверсией. Следствием электронной конверсии будет рентгеновское излучение, когда вакантное энергетическое состояние переходит электрон внешней оболочки атома, при котором происходит излучение фотонов.

Характерной особенностью распада является сильная зависимость периода полураспада от энергии вылетающей α — частицы K_α. Эта зависимость выражается законом Гейгера — Наталла

lnT1/2=ClnKα+B.

(6)

Этот закон теоретически был объяснен квантовомеханическим туннельным эффектом.