Какова природа радиоактивного излучения кратко

Обновлено: 02.07.2024

Радиоактивность — это явление, при котором ядра одного химического элемента самопроизвольно превращаются в ядра другого элемента или изотопы того же элемента. Процесс сопровождается испусканием частиц и электромагнитного излучения. При этом происходит изменение состава ядра атома: его заряда и массового числа.

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

Нуклид — это отдельный вид атома химического элемента с определенными значениями массового и протонного чисел.

Для обозначения определенного нуклида используют запись вида

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

Количество нейтронов в ядре N = A − Z

Изотоп — это разновидность атома определенного элемента с таким же атомным номером, но другим массовым числом.

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

У первого элемента в периодической системе элементов Менделеева, водорода ( H ) , известно три изотопа:

протий H 1 1 ;
дейтерий H 1 2 ;
тритий H 1 3 .

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.

Радиация (радиоактивное излучение) — это поток частиц высокой энергии, вылетающих из нестабильного ядра.

В современной химии выделяют естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность — это явление самопроизвольного распада атомных ядер в природе.

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

Искусственная радиоактивность — это явление самопроизвольного распада атомных ядер, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

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:

В Международной системе единиц ( С И ) 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.

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 К и = 3 , 7 ⋅ 10 10 Б к

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

1 Б к ≈ 2 , 7027 ⋅ 10 - 11 К и

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 Р д = 1 ⋅ 10 6 Б к = 1 М Б к

Дозиметрия — это определение дозы радиоактивного излучения, поглощаемого объектом.

В дозиметрии используют свои единицы облучения:

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 З в = 1 Д ж / к г

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 б э р = 0 , 01 З в = 100 э р г / г

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

Кто открыл, как это произошло

Лучи Рентгена представляют собой электромагнитное излучение длиной волн от ~ 10 3 д о ~ 10 - 2 Å ( от ~ 10 2 ;до ~ 10 - 3 н м ) . Энергия фотонов этих волн лежит между ультрафиолетовым и гамма-излучением.

Хотя рентгеновское излучение менее вредно, чем радиоактивное, оно все равно является ионизирующим и в больших объемах способно навредить живым организмам.

Вскоре после Рентгена новый вид лучей открыл французский физик Антуан Анри Беккерель. В 1896 году Беккерель посетил заседание Академии наук, на котором узнал о предполагаемой связи рентгеновского излучения и флуоресценции. Чтобы проверить эту гипотезу, Беккерель провел эксперимент с фотопластинкой и солями урана. Он обнаружил, что лучи проходят через препятствия, оставляя изображение на фотопластинке.

Сперва Беккерель предположил, что открыл новый, более простой способ делать рентгеновские снимки. Но после многочисленных экспериментов он не мог дать объяснения, откуда уран получает свою энергию. К тому же, вопреки его данным, уран фосфоресцировал даже без солнечного света, что никак не согласовывалось с его гипотезой.

Так Беккерель понял, что открыл новый вид лучей. Но из-за неспособности разрешить найденное противоречие ученый временно отказался от изучения, как известно теперь, радиоактивности.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили, что новые лучи свойственны не только урану, но и торию. Позднее пара ученых открыла радиоактивность полония и радия. От названия последнего и было дано название явлению — радиоактивность.

К тому же, Беккерель и Кюри совместно обнаружили биологическое действие радиоактивности. На одной из лекций Беккерель держал в пробирке в жилетном кармане радиоактивное вещество. На следующий день на теле под карманом он обнаружил покраснение в форме пробирки. Пьер Кюри после этого 10 часов носил на себе пробирку с радием, и спустя несколько дней у него тоже появилось покраснение. Это покраснение впоследствии перешло в тяжелую язву, с которой Пьер боролся еще два месяца.

Пагубное влияние радиоактивных веществ не остановило ученых. В 1934 году Мария Склодовская-Кюри умерла от осложнений, вызванных долгой работой с радием.

В дальнейшем значительную роль в исследовании радиоактивности сыграл Эрнест Резерфорд. Ученый установил природу радиоактивных превращений и излучения, обнаружил сложный состав излучения.

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 — вид самопроизвольного распада атомного ядра на дочернее ядро, при котором происходит испускание альфа-частицы — ядра атома атома гелия. При этом массовое число дочернего ядра меньше на 4, а атомный номер — на 2.

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.

Правило смещения Содди, также закон радиоактивных смещений — это правило, описывающее превращение элементов в процессе радиоактивного распада.

Рассмотрим правило смещения Содди для α -распада:

X Z A → Y Z - 2 A - 4 + H 2 4 e

Пример
Как 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 92 238 → α - р а с п а д T 90 234 h + H 2 4 e → α R 88 230 a + H 2 4 e → α R 86 226 n + H 2 4 e → α P 84 222 o + H 2 4 e → α P 82 218 b + H 2 4 e

Бета-распад

Бета-распад — вид самопроизвольного распада атомного ядра на дочернее ядро, при котором происходит испускание потока электронов и антинейтрино. Массовое число при этом остается тем же, поскольку число нуклонов в ядре остается неизменным.

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 Z A → Y Z + 1 A + e - 1 0 + ν ¯ e

Рассмотрим бета-минус распад трития в гелий-3:

H 1 3 → H 2 3 e + e - 1 0 + 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 Z A → Y Z - 1 A + e + + ν e

Рассмотрим бета-плюс распад углерода:

C 6 11 → B 5 11 + e + + ν e

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 Z A + e - → Y Z - 1 A + ν e

Рассмотрим электронный захват на примере захвата бериллия в литий:

B 4 7 e + e - → L 3 7 i + ν e

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.

Период полураспада, модели атомов и ядра, кратко

Рассмотрим общепринятую модель строения атома. В центре находится заряженное ядро, внутри которого — нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Почти вся масса атома приходится на тяжелое ядро. Вокруг положительно заряженного ядра движутся легкие отрицательно заряженные электроны. В невозбужденном состоянии и вне реакции количество протонов и электронов, как правило, равно, так что атом электронейтрален.

Наглядная схема представлена ниже.

Одной из главных характеристик радиоактивных атомов является его время жизни. Число ежесекундно происходящих распадов пропорционально количеству имеющихся атомов.

Если за промежуток времени распадается половина исходного количества радиоактивных атомов, то половина оставшихся атомов распадется в течение следующего промежутка той же длительности. Время T 1 / 2 , за которое распадается половина всех имеющихся радиоактивных ядер, называют периодом полураспада радиоактивного элемента.

Период полураспада радиоактивного изотопа бериллия-8 составляет всего 8 , 2 ⋅ 10 - 17 ;с. период полураспада фосфора-32 — 14,3 дня. Самый долгий период полураспада у изотопа теллура - 128 T 128 e — 2 , 2 ⋅ 1024 лет или 2,2 септиллиона лет.

На основе периода полураспада некоторых радиоизотопов основан исторический метод радиоизотопного датирования. Для определения возраста некоторых объектов определяют, какая доля радиоактивного изотопа в составе успела распасться. Используют:

уран-свинцовый метод;
калий-аргоновый метод;
радиоуглеродный метод и др.

Любой радиоактивный распад происходит по закону радиоактивного распада. Математически данный закон выражается в следующем виде:

где N — число нераспавшихся атомов в любой момент времени, N 0 — число радиоактивных атомов в начальный момент времени, T — период полураспада, t — период времени.

Известно 2500 атомных ядер, и 90 % из них являются нестабильными.

Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Большие ядра получают нестабильность, как результат конкурирования притяжения нуклонов ядерными силами и кулоновского отталкивания протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Однако радиоактивными свойствами могут обладать ядра атомов со значимо меньшими значениями чисел Z и A . Когда в составе ядра количество протонов существенно превышает число нейтронов, нестабильность объясняется излишком энергии кулоновского взаимодействия. Если же ядро содержит больше нейтронов, оно становится нестабильным, как следствие факта, что масса нейтрона больше массы протона. Если увеличивается масса ядра, растет и его энергия.

Явление радиоактивности открыл физик А.Беккерель в 1896 году: было обнаружено, что соли урана испускают неизвестное излучение, имеющее способность проходить сквозь препятствия и вызывать почернение фотоэмульсии. А спустя пару лет физики М. и П. Кюри зафиксировали радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Po 84 210 и радий Ra 88 226 .

В дальнейшем за изучение природы радиоактивных излучений принимались многие ученые, например, Э. Резерфорд со своими учениками. Было обнаружено, что радиоактивные ядра способны испускать три вида частиц: положительно заряженные, отрицательно заряженные и нейтральные.

α -, β - и γ -излучения – это излучения, на которые способны радиоактивные ядра (соответственно заряженное положительно, отрицательно и нейтрально).

Рис. 6 . 7 . 1 отображает схему опыта, результатом которого стало обнаружение сложного состава радиоактивного излучения. В магнитном поле α - и β -лучи отклоняются в противоположных друг другу направлениях (отклонение β -лучей значимо больше); γ -лучи в магнитном поле вообще не получают отклонения.

Рисунок 6 . 7 . 1 . Схема эксперимента по обнаружению α -, β - и γ -излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, B → – магнитное поле.

Обнаруженные учеными три типа радиоактивных излучений имеют существенные отличия друг от друга в отношении способности ионизировать атомы вещества, а значит и по проникающей способности. Наименьшая проникающая способность характерна для α -излучения. В воздушной среде при нормальных условиях α -лучи проходят путь в несколько сантиметров. β -лучи, в свою очередь, менее поглощаемы веществом. Они имеют возможность проходить сквозь слой алюминия толщиной в несколько м м . Наконец, наибольшая проникающая способность принадлежит γ -лучам, имеющим способность проникать через слой свинца толщиной 5 – 10 с м .

В 20 -х годах XX века, после того, как Э. Резерфорд открыл ядерное строение атомов, появилось твердое утверждение, что радиоактивность является свойством атомных ядер. В ходе изучения было определено, что α -лучи есть поток α -частиц – ядер гелия He 2 4 , β -лучи представляют собой поток электронов, а γ -лучи - это коротковолновое электромагнитное излучение при очень малой длине волны λ 10 – 10 м и, как следствие, ярко выраженных корпускулярных свойствах (эти лучи есть поток частиц – γ -квантов).

Рассмотрим подробнее существующие виды радиоактивного распада.

Альфа-распад

Альфа-распад – это самопроизвольное преобразование атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в иное (дочернее) ядро, в котором содержится число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2 , сопровождающееся испусканием α -частицы – ядра атома гелия He 2 4 .

Образцом альфа-распада может служить α -распад радия:

Ra 88 226 → Rn 86 222 + He 2 4

α -частицы, которые испускают ядра атомов радия, Резерфорд применял, проводя экспериментальное рассеивание на ядрах тяжелых элементов. Измерение по кривизне траектории в магнитном поле установило скорость α -частиц, испускаемых при α -распаде ядер радия: порядка 1 , 5 · 10 7 м / с . Размер кинетической энергии при этом - примерно 7 , 5 · 10 – 13 Д ж (около 4 , 8 М э В ). Эта величина несложно определяется, когда известны значения масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Скорость испускаемой α -частицы очень велика, однако она равна лишь 5 % от скорости света, т.е. в расчетах допустимо использовать нерелятивистское выражение для кинетической энергии.

Также результатом исследований стал факт, что радиоактивное вещество способно испускать
α -частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Объяснение этому явлению заключается в способности ядер находиться, аналогично атомам, в различных возбужденных состояниях. В одном из таких состояний может оказаться дочернее ядро при α -распаде. Далее ядро переходит в основное состояние, и испускается γ -квант. Схема α -распада радия с испусканием α -частиц с двумя значениями кинетических энергий указана на рис. 6 . 7 . 2 .

Рисунок 6 . 7 . 2 . Энергетическая диаграмма α -распада ядер радия. Продемонстрировано возбужденное состояние ядра радона Rn * 86 222 . При переходе из возбужденного состояния ядра радона в основное происходит излучение γ -кванта с энергией 0 , 186 М э В .

Итак, α -распад ядра во множестве случаев происходит совместно с γ -излучением.

Теория α -распада также содержит предположение о возможном образовании ядер групп, включающих в себя два протона и два нейтрона, т. е. α -частицу. Материнское ядро служит для
α -частиц потенциальной ямой, ограниченной потенциальным барьером. Количество энергии
α -частицы в ядре не хватает, чтобы преодолеть данный барьер (рис. 6 . 7 . 3 ).

Испускание α -частицы из ядра возможно лишь благодаря такому квантово-механическому явлению, как туннельный эффект.

Квантовая механика гласит, что существует неравная нулю вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования носит вероятностный характер.

Рисунок 6 . 7 . 3 . Туннелирование α -частицы сквозь потенциальный барьер.

Бета-распад

В процессе бета-распада ядро испускает электрон. Вообще существование в ядре электрона невозможно, т.е. появление электрона – лишь результат β -распада, сопровождающегося превращением нейтрона в протон. Такой процесс происходит как внутри ядра, так и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона равно примерно 15 минутам. При радиоактивном распаде нейтрон n 0 1 превращается в протон p 1 1 и электрон e - 1 0 .

В результате измерений было выявлено, что при бета-распаде наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, поскольку суммарно энергия протона и электрона, появившихся при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули предположил выделение при распаде нейтрона еще одной частицы с нулевыми значениями массы и заряда, уносящей с собой часть энергии.

Нейтрино (маленький нейтрон) – частица с нулевыми значениями массы и заряда, возникающая при распаде нейтрона. Была открыта в 1953 году.

Нейтрино плохо взаимодействует с атомами вещества, поскольку не обладает зарядом и массой, и вследствие этого ее обнаружение в ходе эксперимента очень затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино является настолько малой, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 к м пути. На данный момент известно, что существует несколько типов нейтрино.

Электронный антинейтрино – частица, возникающая вследствие распада нейтрона и обозначаемая v e ~ 0 0 .

Запись реакции распада нейтрона выглядит так:

n 0 1 → p 1 1 + e - 1 0 + v e ~ 0 0

β -распад сопровождается увеличением зарядового числа Z на единицу при неизменности массового числа A . Дочернее ядро в данном случае есть ядро одного из изотопов элемента, чей атомный номер в периодической системе Менделеева на единицу превышает атомный номер исходного ядра. В качестве характерного примера β -распада можно рассмотреть преобразование изотона тория
Th 90 234 , возникающего при α -распаде урана U 92 238 , в протактиний Pa 91 234 :

Th 90 234 → Pa 91 234 + e - 1 0 + v e ~ 0 0

Совместно с электронным β -распадом было определено такое явление, как позитронный β + -распад: ядро испускает позитрон e + 1 0 и нейтрино v e 0 0 .

Позитрон является частицей-двойником электрона, отличающейся от него лишь знаком заряда.

Существование позитрона предсказывалось еще в 1928 г. великим физиком П. Дираком. Спустя несколько лет позитрон обнаружили, как составляющую космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции преобразования протона в нейтрон по следующей схеме:

p 1 1 → n 0 1 + e 1 0 + v e 0 0

Гамма-распад

В отличие от α - и β -радиоактивности, γ -радиоактивность ядер не имеет связи с изменением внутренней структуры ядра, а также при гамма-распаде не изменяется зарядовое или массовое число. При α - или β -распаде дочернее ядро способно войти в некоторое возбужденное состояние и получить излишнюю энергию. Переход ядра из возбужденного состояния в основное происходит совместно с испусканием одного или более γ -квантов, чья энергия способна достигать уровня нескольких М э В .

Закон радиоактивного распада

Любой образец радиоактивного вещества имеет в своем составе множество радиоактивных атомов. Поскольку для процесса радиоактивного распада характерна случайность, не зависящая от внешних условий, то закономерность в убывании количества N ( t ) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер становится важнейшей статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Допустим, число нераспавшихся ядер N ( t ) изменилось на Δ N 0 в течение небольшого промежутка времени Δ t . Поскольку вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, то количество распадов пропорционально количеству ядер N ( t ) и промежутку времени Δ t :

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δ t = 1 с .

Это выражение означает, что скорость d N d t изменения функции N ( t ) прямо пропорциональна самой функции.

Такая зависимость имеет место во многих физических процессах (к примеру, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения дает возможность записать экспоненциальный закон:

N ( t ) = N 0 e – λ t

Здесь N 0 является начальным числом радиоактивных ядер при t = 0 .

Среднее время жизни радиоактивного ядра, обозначаемое, как τ , и равное: τ = 1 λ - это время, за которое количество нераспавшихся ядер уменьшается в e ≈ 2 , 7 раза.

В целях практического применения закон радиоактивного распада оптимально записать в ином виде, беря за основание число 2 , а не e :

N ( t ) = N 0 · 2 – t T .

Период полураспада, обозначаемый, как Т , – это время, за которое произойдет распад 1 2 первоначального количества радиоактивных ядер.

Величины τ и Т связаны друг с другом соотношением:

T = 1 λ ln 2 = τ ln 2 = 0 , 693 τ

Рисунок 6 . 7 . 4 дает представление о законе радиоактивного распада.

Рисунок 6 . 7 . 4 . Закон радиоактивного распада.

Период полураспада является основной величиной, описывающей скорость радиоактивного распада. Чем меньше Т , тем интенсивность распада выше. Например, для урана T ≈ 4 , 5 млрд лет, а для радия период полураспада составляет примерно 1600 лет: таким образом, активность радия во много раз больше, чем активность урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α - и β -радиоактивном распаде дочернее ядро тоже может стать нестабильным. Т.е. допустимы серии последовательных радиоактивных распадов, заканчивающихся тем, что образуются стабильные ядра. В природе существует несколько подобных серий. Самая длинная серия - серия
U 92 238 , включающая в себя 14 последовательных распадов ( 8 α -распадов и 6 β -распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца Pb 82 206 (рис. 6 . 7 . 5 ).

Рисунок 6 . 7 . 5 . Схема распада радиоактивной серии U 92 238 с указанием периодов полураспада.

Известно еще несколько радиоактивных серий, подобных серии U 92 238 . Существует последовательность от нептуния Np 93 237 (не обнаруженного в естественных условиях) до висмута Bi 83 209 . Эта серия радиоактивных распадов характерна для ядерных реакторов.

Радиоактивность была интересным образом использована в методе, который используется для датирования археологических и геологических находок. Датирование производится на основании концентрации радиоактивных изотопов. Чаще применяют радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода C 6 14 появляется в атмосфере в результате ядерных реакций, которые вызываются космическими лучами. Малый процент этого изотопа имеется в воздухе совместно с обычным стабильным изотопом C 6 12 . Растения и прочие организмы потребляют углерод из воздуха, накапливая оба изотопа в такой же пропорции, что и в воздушной среде. Растение гибнет и, естественно, перестает потреблять углерод, тогда нестабильный изотоп в результате β -распада постепенно превращается в азот N 7 14 с периодом полураспада 5730 лет. Точным измерением относительной концентрации радиоактивного углерода C 6 14 в останках древних организмов возможно установить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех типов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают сильнейшее биологическое воздействие на живые организмы. Это воздействие включает в себя процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул, составляющих живые клеток. Воздействуя на клетки, ионизирующая радиация разрушает сложные молекулы и клеточные структуры, следствием чего является лучевое поражение организма, а потому крайне важны меры радиационной защиты людей, работающих с неким источником радиации и имеющим шанс попасть в зону действия излучения.

Серьезность проблемы в том, что человек может испытать на себе действие ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Особую опасность для здоровья человека представляет инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон Rn 86 222 . Схема, изображенная на рисунке 6 . 7 . 5 , демонстрирует, что радон - продукт α -распада радия с периодом полураспада T = 3 , 82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в разного рода строительных конструкциях. Концентрация радона имеет относительно небольшое время жизни, но постоянно пополняется в результате новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попав в легкие, радон испускает α -частицы и преобразуется в полоний Po 84 218 , не являющийся химически инертным. Далее происходит цепь радиоактивных преобразований серии урана (рис. 6 . 7 . 5 ). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских процедур. Доля космических лучей здесь - около 8 % . Общая доза облучения, получаемая человеком за жизнь, много меньше предельно допустимой дозы (ПДД), установленной для людей некоторых профессий, которые подвергаются дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Что такое радиоактивность в физике

Любой атом имеет ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные заряженные частицы - электроны.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.

Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.

Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.

Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.

В физике существуют такие виды радиоактивного распада:

α-распад с выделением α-частицы;

β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;

γ-распад - излучение атомным ядром кванта ионизирующих лучей;

бесконтрольное деление ядра на осколки.

Альфа-излучение

Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.

Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.

Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.

Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.

Бета-излучение

Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.

Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.

Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.

Гамма-излучение

Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.

Возникает при:

переходе его из возбужденного состояния в стабильное;

аннигиляции электрона и позитрона.

Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.

Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.

Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.

Нейтронное излучение

Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.

Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.

Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.

Рентгеновское излучение

Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.

Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.

Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.

Какое излучение самое опасное

Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.

Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.

Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.

Раздел ОГЭ по физике: 4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада.

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.

Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали β-частицами.

Радиоактивный распад

Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом. Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–излучения.

Если – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–распаде происходит по следующей схеме (правило смещения): , где – символ дочернего ядра; – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета–распад. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, согласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется: .

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение. Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в меньшей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (например, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4 • 10 8 атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10 8 ядер, а 2 • 10 8 ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10 8 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10 8 ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

Читайте также: