Радиоактивно излъчване и неговите свойства
Френският физик А. Бекерел през 1896 г., докато изучава луминесценцията на уранови соли, случайно откриваспонтанноизлъчване на радиация от неизвестна природа от тях, което действа върху фотографска плака, йонизира въздуха, прониква през тънки метални пластини и причинява луминесценция на редица вещества. Бекерел показа, че всички уранови съединения имат свойството на спонтанно излъчване и интензитетът на това излъчване зависи от съдържанието на уран в съединението. Това излъчване не зависи от температурата в диапазона от -200 0 С до +200 0 С.
Продължавайки изследването на това явление, съпрузите Кюри - Мари и Пиер - откриха, че излъчването на Бекерел е характерно не само за урана, но и за много други тежки елементи, като торий и актиний. Те също така показаха, че урановата смола (рудата, от която се добива метален уран) излъчва радиация, чийто интензитет е многократно по-голям от този на урана. Те успяха да изолират два нови елемента - полоний и радий.
Откритата радиация беше нареченарадиоактивна радиация, а самото явление - излъчването на радиоактивна радиация -радиоактивност.Допълнителни експерименти показаха, че радиоактивните свойства на даден елемент се дължат на структурата на неговото ядро.
Понастоящем подрадиоактивностсе разбира способността на някои атомни ядра спонтанно да се трансформират в други ядра с излъчване на различни видове радиоактивно лъчение и елементарни частици. Радиоактивността се разделя наестествена(наблюдава се в нестабилни изотопи, които съществуват в природата) иизкуствена(наблюдава се в изотопи, получени чрез ядрени реакции). Основната разлика между тези два виданяма радиоактивност, тъй като законите на радиоактивната трансформация са еднакви и в двата случая.
Работата по изучаването на явлението радиоактивност беше продължена от Ръдърфорд, който постави задачата да изясни природата на радиоактивните лъчи. За да направи това, той използва метода на отклонения в магнитно поле. Оказа се, че излъчването на радиоактивно вещество се разделя на три компонента в магнитно поле. Те се наричаха лъчи.
a-лъчението се отклонява от електрически и магнитни полета, има висока йонизираща способност и ниска проникваща способност (например, те се абсорбират от алуминиев слой с дебелина около 0,05 mm). a-Радиацията е поток от хелиеви ядра; зарядът на а-частицата е+2e,и масата съвпада с масата на ядрото на изотопа на хелия. Скорост на а-частиците m/s.
b-лъчението се отклонява от електрически и магнитни полета; неговата йонизираща способност е много по-малка (с около два порядъка), а проникващата му способност е много по-голяма (абсорбирана от слой алуминий с дебелина около 2 mm) от тази на a-частиците. b-излъчването е поток от бързи електрони, чиято скорост е . Той е силно диспергиран в материята.
g-лъчението не се отклонява от електрически и магнитни полета, има относително слаба йонизираща способност и много висока проникваща способност (например преминава през слой олово с дебелина 5 cm) и открива дифракция при преминаване през кристали. g-лъчението е късовълново електромагнитно излъчване с изключително къса дължина на вълната l -10 m и в резултат на това изразени корпускулярни свойства, т.е. е поток от частици – g-кванти (фотони).
Подрадиоактивен разпад, или просторазпад, разбирайте естествената радиоактивна трансформация на ядрата,възникващи спонтанно. По време на радиоактивната трансформация настъпва промяна в структурата и състава на първоначалното ядро и тази промяна се определя от вътрешноядрени процеси. Атомно ядро, подложено на радиоактивен разпад, се наричародителско,полученото ядро едъщерно.
Тъй като отделните радиоактивни ядра се разпадат независимо едно от друго, може да се счита, че броят на ядратаdN,, разпаднали се средно за интервала от време отtдоt+dt,е пропорционален на интервала от времеdtи брояNна неразпадналите се ядра към моментаt:
, (21.1)
където е константа за дадено радиоактивно вещество, нареченаконстанта на радиоактивно разпадане. Знакът минус показва, че броят на неразпадналите се ядра намалява с времето.
Разделете променливите в (21.1): и интегрирайте получения израз: ; . Тогава: , (21.2)
къдетоN0 е първоначалният брой неразпаднали се ядра (в момент t=0),Nе броят на неразпадналите се ядра във времеt.
Формула (21.2) изразявазакона за радиоактивния разпад, според който броят на неразпадналите се ядра намалява с времето по експоненциален закон.
Периодът на полуразпад– е периодът от време, през който броят на радиоактивните ядра е средно наполовина. Тогава, съгласно (21.2), , откъдето: .
За различните елементи този период от време е различен. За радий Ra: =1590 години; за радон Rn: =3,8 дни.
Средният животtна радиоактивно ядро е реципрочната стойност на константата на радиоактивен разпад l: .
Активността на радиоактивния елемент определя броя на ядрата, разпаднали се за единица време:
.
Единицата за активност в SI ебекерел(Bq): 1 Bq е активността на ядрото,при което за 1sима един акт на разпад.
Радиоактивният разпад се извършва в съответствие със законите за запазване на масовото число и електрическия заряд. Тези закони ви позволяват да установите "правила за изместване", чрез които можете да определите кой елемент е резултат от радиоактивна трансформация.
a-Разпад.Трансформацията на атомните ядра, придружена от излъчване наa-частици (ядра на хелиеви атоми) се наричаa-разпад. Ако символът обозначава родителското ядро, тогава трансформацията на това ядро по време на разпаданеaсе извършва съгласно схемата:
, (22.1)
къде е символът на детското ядро; - g-квант, излъчван от ядрото, което е във възбудено състояние. Както може да се види от (22.1),a-разпадът намалява масовото число с 4, а зарядът на ядрото - с 2 елементарни положителни заряда, т.е.движениетона химичния елемент се извършва от две клеткиналявов периодичната система от елементи на Менделеев. Например, .
Процесът наa-разпадане се състои от два етапа: образуване наa-частици в ядрото на атома и тяхното излъчване от ядрото. Стабилността на виртуална формация от два протона и два неутрона е следствие от насищането на ядрените сили. Полученатаa-частица в ядрото се влияе както от ядрените сили на привличане, така и от кулоновите сили на отблъскване. Образуванатаa-частица е подложена на по-слабо действие на ядрени сили, но по-силно действие на кулонови сили, отколкото отделните протони, които изграждатa-частицата.
–Разлагане. Изследванията показват, че радиоактивните ядра могат да излъчват поток от електрони. Масовото число по време на разпаданетоb-не се променя, но числото на заряда се увеличава с единица:
.
Следователно новият химичен елементместваедна клетканадяснонавътрепериодична система на Менделеев. Тъй като масовото число не се променя, следователно общият спин на всички нуклони в ядрото не трябва да се променя, но електрон със спин,трябва да промени спина на ядрото. Въпреки това,b-разпадането не променя въртенето на ядрото. В. Паули предполага, че заедно с електрона от ядрото трябва да излети друга частица, нареченанеутрино(v). То няма заряд и маса на покой, но трябва да има спин, равен на спина на електрон.Когато електрон и неутрино избягат от ядрото едновременно, е възможно техните завъртания да са ориентирани в противоположни посоки, така че общият спин на ядрото да не се променя.
Според съвременните представи има три видаb-разпад: електронен (b- разпад); позитрон (b + -разпад); К-улавяне. Частица, излъчена по време на позитронно разпадане, се наричанеутрино(v), а по време на електронно разпадане се нарича антинеутрино ( ).
b– -разпаданетопротича по схемата: .
Например, според теорията на Ферми, в ядрото са възможни трансформации на нуклони, в резултат на които се появяват електрони и антинеутрино: .
b + -разпадането протича по схемата: ,
където е позитрон. Този тип разпад е възможен, когато един от протоните в ядрото се превърне в неутрон. Резултатът е позитрон и неутрино: . За хода на тази реакция се изразходва енергия, тъй като масата на неутрона е по-голяма от масата на протона.
В случай наK-захващане(или захващане на електрон), възбуденото ядро улавя електрона от K-обвивката на атома, докато един от протоните на ядрото се превръща в неутрон и възниква неутрино:
.
В случай на K-захващане се излъчват характерни рентгенови лъчи.