Радиоактивные превращения атомных ядер кратко и понятно

Обновлено: 08.07.2024

После открытия радиоактивности некоторых химических элементов началось изучение механизма этого явления. Выяснилось, что радиоактивные образцы вещества медленно самопроизвольно превращаются в совсем другие вещества, которых не существовало в образце ранее. Кратко поговорим о радиоактивных превращениях атомных ядер.

Открытие радиоактивных превращений

Рис. 1. Открытие радиоактивности.

Вскоре после открытия радиоактивности урана П. Кюри обнаружил радиоактивность тория, а потом еще два радиоактивных вещества с гораздо большей радиоактивностью, чем у чистого урана, — полоний и радий. Выяснилось, что радиоактивные вещества не только испускают невидимые лучи — они постоянно выделяют тепловую энергию.

1 г. чистого радия ежечасно выделяет около 0,5 кДж тепловой энергии. С помощью этой энергии можно нагреть 1 г воды от нулевой температуры до точки кипения.

Радиоактивность сохранялась неизменной в течение долгого времени, и было ясно, что в веществе происходят какие-то важные процессы, которые обеспечивают энергию радиоактивности. Эти процессы изучались в ходе опытов Ф. Содди и Э. Резерфорда. Например, активность тория оставалась постоянной в запаянной ампуле. Однако, если ампулу вскрыть, активность тория быстро уменьшается. Предположили, что в ампуле с торием образуется газ, являющийся радиоактивным, который обладает большей радиоактивностью, чем торий.

Предположение подтвердилось. Из воздуха ампулы удалось выделить газ, впоследствии названный радоном, радиоактивность которого была больше, чем у тория, но быстро уменьшалась со временем. Через 10–15 минут она полностью исчезала. То же самое выяснилось при исследовании других радиоактивных веществ.

Все это позволило Э. Резерфорду сделать вывод, что атомы радиоактивных веществ самопроизвольно превращаются в атомы других веществ, при этом выделяется энергия, гораздо большая по сравнению с энергией химических реакций.

Позже оказалось, что радиоактивными являются все элементы с порядковым номером больше 82.

Виды радиоактивных превращений

Изучение радиоактивных превращений выявило, что основными видами являются два.

При альфа-распаде номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре. При этом ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия). Альфа-распаду подвержены большинство тяжелых ядер.
При бета-распаде номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число — остается прежним. Бета-распаду подвержены в основном ядра, в которых имеется избыток нейтронов, поскольку при этом нейтроны теряют устойчивость.

При обоих видах распада часто происходит также испускание гамма-квантов — электромагнитного излучения высокой энергии.

Рис. 2. Виды радиоактивного распада.

Радиоактивные ряды

Поскольку при радиоактивном распаде номер элемента уменьшается максимум на две единицы, а существуют элементы с номерами гораздо больше 82, получается, что после радиоактивного распада ядро всё равно остается радиоактивным и тоже подвержено распаду.

В результате элементы можно выстроить в целые радиоактивные ряды, в каждом из которых происходят цепочки превращений одних веществ в другие. И поскольку во время распада массовое число может измениться только на четыре единицы, существует четыре радиоактивных ряда, в которых список элементов различен:

Рис. 3. Радиоактивные ряды.

Что мы узнали?

Радиоактивное превращение — это самопроизвольное превращение ядра тяжелого элемента в ядро другого, более легкого элемента. Наиболее частыми являются альфа- и бета- радиоактивность. Поскольку продукт радиоактивного распада нередко сам радиоактивен, можно составить целые цепочки радиоактивных превращений.

Посмотрев этот видеоурок, вы узнаете, что происходит с радиоактивным химическим элементом при α- и β-распаде. Также мы расскажем, какая часть атома претерпевает изменения в ходе радиоактивного распада. Познакомимся с понятиями массового и зарядового чисел. А также сформулируем законы сохранения заряда и массового числа для радиоактивных превращений.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Радиоактивные превращения атомных ядер"

После открытия Резерфордом атомного ядра многочисленные эксперименты подтвердили, что ядра атомов, так же, как и сами атомы, имеют сложную структуру. Одним из подтверждением этого, является естественная радиоактивность, о которой мы говорили на прошлом уроке. Вспомним, что радиоактивностью мы назвали способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению.

Вторым подтверждением того, что атомы химических элементов имеют сложное строение, явилось открытие радиоактивного распада. Так называют превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента, сопровождающееся испусканием частиц.

Примечательно, что ядерные реакции были открыты до того, как было установлено существование атомных ядер. Ещё в 1903 году Эрнест Резерфорд и его помощник, английский химик Фредерик Содди, обнаружили, что в результате α-распада радиоактивный радий превращается в новый химический элемент — радон.

При этом оба химических элемента не имеют ничего общего друг с другом: радий — это металл, который при нормальных условиях находится в твёрдом состоянии, а радон — это инертный газ. Помимо этого, атомы обоих элементов имеют разную массу, заряд ядра и количество электронов в электронной оболочке. Плюс ко всему, они по-разному вступают в химические реакции.

Вскоре опыты, проведённые с другими радиоактивными элементами, показали, что не только при α-излучении, но и при β-распаде происходит превращение одного химического элемента в другой. Однако механизм обоих превращений не был понятен вплоть до 1911 года. Лишь после того, как Резерфордом была предложена ядерная модель атома, стало понятно, что именно ядро претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.

На самом деле. Как мы знаем, α-излучение — это поток атомов гелия, потерявших оба своих электрона, и их нет в электронной оболочке атома. А при β-излучении испускаются электроны, но уменьшение числа электронов в атоме превращает его в ион того же элемента, но не в новый химический элемент с другими физическими и химическими свойствами.

Посмотрите, как записывается реакция альфа-распада ядра атома радия с превращением его в ядро атома радона:

Число, которое стоит вверху перед буквенным обозначением ядра, называется массовым числом, а внизу — зарядовым числом (или атомным номером).

Массовое число ядра атома обозначается большой буквой А. Оно с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе ядра данного химического элемента.

Одна атомная единица массы — это внесистемная единица массы, которая применяется для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Она определяется как 1/12 часть массы свободного покоящегося атома углерода.

Зарядовое число ядра атома обозначается большой латинской буквой Z. Оно равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде ядра данного химического элемента.

Напомним, что под элементарным зарядом мы понимаем наименьший электрический заряд, равный по модулю заряду электрона.

Сразу обращаем ваше внимание на то, что зарядовое и массовое числа всегда целые и положительные. Помимо этого, они не имеют единиц измерения, поскольку указывают, во сколько раз масса и заряд ядра больше единичных.

Давайте ещё раз посмотрим на уравнение реакции альфа распада ядра атома радия. Легко заметить, что в процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения массового числа и заряда: массовое число и заряд распадающегося ядра атома равны соответственно сумме массовых чисел и сумме зарядов ядер атомов, образовавшихся в результате этого распада.

Из открытия, сделанного Резерфордом и Содди стало ясно, что радиоактивность — это не просто способность некоторых веществ к самопроизвольному излучению, но и способность к самопроизвольному превращению ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов.

В физике принято выделять два вида радиоактивного распада — это α- и β-распад. Давайте рассмотрим некоторые их свойства.

Итак, мы уже знаем, что α-распад характеризуется вылетом ядра атома гелия. Следовательно, продуктом распада материнского ядра оказывается элемент, зарядовое число которого на 2 единицы меньше, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского ядра. Из особенностей α-распада выделим следующие:

Во-первых, он наблюдается для природных ядер, зарядовое число которых больше 83 (это, так называемые, тяжёлые ядра, поскольку их атомная масса больше 200 а.е.м.).

А во-вторых, энергии и скорости испускаемых α-частиц в пучке очень близки друг к другу.

Как мы говорили на прошлом уроке, β-излучение является потоком электронов. Иными словами, при бета-распаде ядра самопроизвольно испускают электрон. В результате образуется новое ядро с тем же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше.

Из особенностей β-распада выделим то, что он наблюдается для тяжёлых и средних ядер, а скорости электронов сильно различаются по величине.

Интересно, что изучение β-распада показало, что в нём как-бы нарушаются два фундаментальных закона: закон сохранения энергии и импульса. В связи с этим, швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули предположил, что при β-распаде рождается ещё какая-то частица, которая и уносит часть энергии и импульса. А итальянский физик Энрико Ферми показал, что эта частица нейтральная и имеет ничтожную массу. Он так же дал название этой частице — нейтрино.

Закрепления материала.

Если вы внимательно следили за ходом решения задач, то могли заметить некоторую закономерность α- и β-распада:

В 1913 году американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди эти закономерности были сведены в общее правило — правило смещения.

В заключении так же отметим, что в 1932 году французские учёные Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, облучая нерадиоактивные вещества α-частицами, обнаружили, что некоторые из них после облучения становятся радиоактивными. Это явление получило название искусственной радиоактивности.

Таким образом, оказалось возможным получать радиоактивные изотопы веществ, которые обычно не радиоактивны.

На основе полученных знаний мы сможем изучить вопрос радиоактивного превращения атомных ядер любого химического элемента и узнать, с помощью какого инструмента это можно осуществить. На этом уроке мы рассмотрим, как происходит радиоактивное превращение атомных ядер. Для начала повторим, что собой представляет планетарная модель атома Резерфорда

Открытие строения атомного ядра явилось одним из самых важных этапов в развитии современного физического знания. Ученые пришли к правильным выводам относительно структуры мельчайших частиц не сразу. И еще намного позднее были открыты другие закономерности – например, законы движения микрочастиц, а также особенности превращения атомных ядер, которые происходят при радиоактивном распаде.

Опыты Резерфорда

Первые наблюдения радиоактивности

Еще в 1985 году английский исследователь У. Рамзай, который известен своим открытием газа аргона, сделал интересное открытие. В минерале под названием клевеит он обнаружил газ гелий. Впоследствии большое количество гелия было найдено также и в других минералах, но лишь в тех, в состав которых входят торий и уран.

Наблюдение Фредерика Содди

Вместе с Резерфордом в исследованиях принимал непосредственное участие ученый Фредерик Содди. Он был химиком, и потому вся его работа проводилась в отношении отождествления химических элементов согласно их свойствам. На самом деле радиоактивные превращения атомных ядер впервые были замечены Содди. Он сумел выяснить, что представляют собой альфа-частицы, которыми пользовался в своих опытах Резерфорд. Произведя измерения, ученые выяснили, что масса одной альфа-частицы составляет 4 атомных единицы массы. Накопив определенное количество таких альфа-частиц, исследователи обнаружили, что они превратились в новое вещество – гелий. Свойства этого газа были хорошо известны Содди. Поэтому он утверждал, что альфа-частицы сумели захватить электроны извне и превратиться в нейтральные атомы гелия.

Изменения внутри ядра атома

Последующие исследования были направлены на выявление особенностей атомного ядра. Ученые поняли, что все преобразования происходят не с электронами или электронной оболочкой, а непосредственно с самими ядрами. Именно радиоактивные превращения атомных ядер способствовали преобразованию одних веществ в другие. Тогда еще особенности этих превращений ученым были неизвестны. Но понятно было одно: в их результате каким-то образом появляются новые химические элементы.

Впервые такую цепочку метаморфоз ученым удалось проследить в процессе превращения радия в радон. Реакции, в результате которых происходили такие превращения, сопровождавшиеся особым излучением, исследователи назвали ядерными. Убедившись, что все эти процессы протекают именно внутри ядра атома, ученые начали исследовать и другие вещества, не только радий.

Открытые виды излучений

Радиоактивные превращения атомных ядер: основные типы

Сейчас считается, что во время радиоактивного распада происходит три вида превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, иначе называемый К-захватом. При альфа-распаде происходит испускание из ядра альфа-частицы, которая является ядром атома гелия. Само радиоактивное ядро при этом превращается в такое, которое обладает меньшим электрическим зарядом. Альфа-распад свойственен веществам, занимающим последние места в таблице Менделеева. Бета-распад также входит в радиоактивные превращения атомных ядер. Состав атомного ядра при этом типе также меняется: оно теряет нейтрино или антинейтрино, а также электроны и позитроны.

Этот тип распада сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением. При электронном захвате ядро атома поглощает один из ближайших электронов. При этом ядро бериллия может превратиться в ядро лития. Этот тип был обнаружен в 1938 году физиком из Америки по фамилии Альварес, который также изучал радиоактивные превращения атомных ядер. Фото, на которых исследователи пытались запечатлеть такие процессы, содержат изображения, похожие на размытое облако, в силу малых величин исследуемых частиц.