История изучения радиоактивности началась 1 марта 1896 года, когда известный французский ученый случайно обнаружил странность в излучении солей урана. Оказалось, что фотопластинки, расположенные в одном ящике с образцом, засвечены. К этому привело странное, обладающее высокой проникающей способностью излучение, которым обладал уран. Это свойство обнаружилось у самых тяжелых элементов, завершающих периодическую таблицу. Ему дали название "радиоактивность".
Вводим характеристики радиоактивности
Данный процесс - самопроизвольное превращение атома изотопа элемента в иной изотоп с одновременным выделением элементарных частиц (электронов, ядер атомов гелия). Превращение атомов оказалось самопроизвольным, не требующим поглощения энергии извне. Основной величиной, характеризующей процесс выделения энергии в ходе называют активность.
Активностью радиоактивного образца называют вероятное количество распадов данного образца за единицу времени. В интернациональной) единицей измерения ее назван беккерель (Бк). В 1 беккерель принята активность такого образца, в котором в среднем происходит 1 распад в секунду.
А=λN, где λ- постоянная распада, N - число активных атомов в образце.
Выделяют α, β, γ-распады. Соответствующие уравнения называют правилами смещения:
Временной интервал в радиоактивности
Момент развала частицы невозможно установить для данного конкретного атома. Для него это скорее «несчастный случай», нежели закономерность. Выделение энергии, характеризующее этот процесс, определяют как активность образца.
Замечено, что она с течением времени меняется. Хотя отдельные элементы демонстрируют удивительное постоянство степени излучения, существуют вещества, активность которых уменьшается в несколько раз за достаточно короткий промежуток времени. Удивительное разнообразие! Возможно ли найти закономерность в этих процессах?
Установлено, что существует время, в течение которого ровно половина атомов данного образца претерпевает распад. Этот интервал времени получил название "период полураспада". В чем смысл введения этого понятия?
полураспада?
Представляется, что за время, равное периоду, ровно половина всех активных атомов данного образца распадается. Но означает ли это, что за время в два периода полураспада все активные атомы полностью распадутся? Совсем нет. Через определенный момент в образце остается половина радиоактивных элементов, через такой же промежуток времени из оставшихся атомов распадается еще половина, и так далее. При этом излучение сохраняется длительное время, значительно превышающее период полураспада. Значит, активные атомы сохраняются в образце независимо от излучения
Период полураспада - это величина, зависящая исключительно от свойств данного вещества. Значение величины определено для многих известных радиоактивных изотопов.
Таблица: «Полупериод распада отдельных изотопов»
| Название | Обозначение | Вид распада | Период полураспада |
0,001 секунд |
|||
бета, гамма | |||
альфа, гамма | |||
альфа, гамма | 4,5 млрд лет |
Определение периода полураспада выполнено экспериментально. В ходе лабораторных исследований многократно проводится измерение активности. Поскольку лабораторные образцы минимальных размеров (безопасность исследователя превыше всего), эксперимент проводится с различным интервалом времени, многократно повторяясь. В его основу положена закономерность изменения активности веществ.
С целью определения периода полураспада производится измерение активности данного образца в определенные промежутки времени. С учетом того, что данный параметр связан с количеством распавшихся атомов, используя закон радиоактивного распада, определяют период полураспада.
Пример определения для изотопа
Пусть число активных элементов исследуемого изотопа в данный момент времени равно N, интервал времени, в течение которого ведется наблюдение t 2 - t 1 , где моменты начала и окончания наблюдения достаточно близки. Допустим, что n - число атомов, распавшихся в данный временной интервал, тогда n = KN(t 2 - t 1).
В данном выражении K = 0,693/T½ - коэффициент пропорциональности, называющийся константой распада. T½ - период полураспада изотопа.
Примем временной интервал за единицу. При этом K = n/N указывает долю от присутствующих ядер изотопа, распадающихся в единицу времени.
Зная величину константы распада, можно определить и полупериод распада: T½ = 0,693/K.
Отсюда следует, что за единицу времени распадается не определенное количество активных атомов, а определенная их доля.
Закон радиоактивного распада (ЗРР)
Период полураспада положен в основу ЗРР. Закономерность выведена Фредерико Содди и Эрнестом Резерфордом на основе результатов экспериментальных исследований в 1903 году. Удивительно, что многократные измерения, выполненные при помощи приборов, далеких от совершенства, в условиях начала ХХ столетия, привели к точному и обоснованному результату. Он стал основой теории радиоактивности. Выведем математическую запись закона радиоактивного распада.
Пусть N 0 - количество активных атомов в данный момент времени. По истечении интервала времени t нераспавшимися останутся N элементов.
К моменту времени, равному периоду полураспада, останется ровно половина активных элементов: N=N 0 /2.
По прошествии еще одного периода полураспада в образце остаются: N=N 0 /4=N 0 /2 2 активных атомов.
По прошествии времени, равному еще одному периоду полураспада, образец сохранит только: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .
К моменту времени, когда пройдет n периодов полураспада, в образце останется N=N 0 /2 n активных частиц. В этом выражении n=t/T½: отношение времени исследования к периоду полураспада.
ЗРР имеет несколько иное математическое выражение, более удобное в решении задач: N=N 0 2 - t/ T½ .
Закономерность позволяет определить, помимо периода полураспада, число атомов активного изотопа, нераспавшихся в данный момент времени. Зная число атомов образца в начале наблюдения, через некоторое время можно определить время жизни данного препарата.
Определить период полураспада формула закона радиоактивного распада помогает лишь при наличии определенных параметров: числа активных изотопов в образце, что узнать достаточно сложно.
Следствия закона
Записать формулу ЗРР можно, используя понятия активности и массы атомов препарата.
Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов: A=A 0 .2 -t/T . В этой формуле А 0 - активность образца в начальный момент времени, А - активность по истечении t секунд, Т - период полураспада.
Масса вещества может быть использована в закономерности: m=m 0 .2 -t/T
В течение любых равных промежутков времени распадается абсолютно одинаковая доля радиоактивных атомов, имеющихся в наличии в данном препарате.
Границы применимости закона
Закон во всех смыслах является статистическим, определяя процессы, протекающие в микромире. Понятно, что период полураспада радиоактивных элементов - величина статистическая. Вероятностный характер событий в атомных ядрах предполагает, что произвольное ядро может развалиться в любой момент. Предсказать событие невозможно, можно лишь определить его вероятность в данный момент времени. Как следствие, период полураспада не имеет смысла:
- для отдельного атома;
- для образца минимальной массы.
Время жизни атома
Существование атома в его первоначальном состоянии может длиться секунду, а может и миллионы лет. Говорить о времени жизни данной частицы также не приходится. Введя величину, равную среднему значению времени жизни атомов, можно вести разговор о существовании атомов радиоактивного изотопа, последствиях радиоактивного распада. Период полураспада ядра атома зависит от свойств данного атома и не зависит от других величин.
Можно ли решить проблему: как найти период полураспада, зная среднее время жизни?
Определить период полураспада формула связи среднего времени жизни атома и постоянной распада помогает не меньше.
τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.
В этой записи τ - среднее время жизни, λ - постоянная распада.
Использование периода полураспада
Применение ЗРР для определения возраста отдельных образцов получило широкое распространение в исследованиях конца ХХ века. Точность определения возраста ископаемых артефактов настолько возросла, что может дать представление о времени жизни за тысячелетия до нашей эры.
Ископаемых органических образцов основан на изменении активности углерода-14 (радиоактивного изотопа углерода), присутствующего во всех организмах. Он попадает в живой организм в процессе обмена веществ и содержится в нем в определенной концентрации. После смерти обмен веществ с окружающей средой прекращается. Концентрация радиоактивного углерода падает вследствие естественного распада, активность уменьшается пропорционально.
При наличии такого значения, как период полураспада, формула закона радиоактивного распада помогает определить время с момента прекращения жизнедеятельности организма.
Цепочки радиоактивного превращения
Исследования радиоактивности проводились в лабораторных условиях. Удивительная способность радиоактивных элементов сохранять активность в течение часов, суток и даже лет не могла не вызывать удивления у физиков начала ХХ столетия. Исследования, к примеру, тория, сопровождались неожиданным результатом: в закрытой ампуле активность его была значительной. При малейшем дуновении она падала. Вывод оказался прост: превращение тория сопровождается выделением радона (газ). Все элементы в процессе радиоактивности превращаются в совершенно иное вещество, отличающееся и физическими, и химическими свойствами. Это вещество, в свою очередь, также нестабильно. В настоящее время известно три ряда аналогичных превращений.
Знания о подобных превращениях крайне важны при определении времени недоступности зон, зараженных в процессе атомных и ядерных исследований или катастроф. Период полураспада плутония - в зависимости от его изотопа - лежит в интервале от 86 лет (Pu 238) до 80 млн лет (Pu 244). Концентрация каждого изотопа дает представление о периоде обеззараживания территории.
Самый дорогой металл
Известно, что в наше время есть металлы значительно более дорогие, чем золото, серебро и платина. К ним относится и плутоний. Интересно, что в природе созданный в процессе эволюции плутоний не встречается. Большинство элементов получены в лабораторных условиях. Эксплуатация плутония-239 в ядерных реакторах дала возможность ему стать чрезвычайно популярным в наши дни. Получение достаточного для использования в реакторах количества данного изотопа делает его практически бесценным.
Плутоний-239 получается в естественных условиях как следствие цепочки превращений урана-239 в нептуний-239 (период полураспада - 56 часов). Аналогичная цепочка позволяет накопить плутоний в ядерных реакторах. Скорость появления необходимого количества превосходит естественную в миллиарды раз.
Применение в энергетике
Можно много говорить о недостатках атомной энергетики и о «странностях» человечества, которое практически любое открытие использует для уничтожения себе подобных. Открытие плутония-239, который способен принимать участие в позволило использовать его в качестве источника мирной энергии. Уран-235, являющийся аналогом плутония, встречается на Земле крайне редко, выделить его из значительно сложнее, чем получить плутоний.
Возраст Земли
Радиоизотопный анализ изотопов радиоактивных элементов дает более точное представление о времени жизни того или иного образца.
Использование цепочки превращений "уран - торий", содержащихся в земной коре, дает возможность определить возраст нашей планеты. Процентное соотношение этих элементов в среднем по всей земной коре лежит в основе этого метода. По последним данным, возраст Земли составляет 4,6 миллиарда лет.
Понятие радиоактивности
Закон радиоактивного распада
Количественная оценка радиоактивности и ее единицы
Ионизирующие излучения, их характеристики.
Источники ИИ
Понятие радиоактивности
Радиоактивностью называется спонтанный процесс превращения (распада) атомных ядер, сопровождающегося испусканием особого вида излучения, называемым радиоактивным .
При этом происходит превращение атомов одних элементов в атомы других.
Радиоактивные превращения свойственны лишь отдельным веществам.
Вещество считается радиоактивным, если оно содержит радионуклиды, и в нем идет процесс радиоактивного распада.
Радионуклиды (изотопы)- ядра атомов способных самопроизвольно распадаться называют радионуклидами.
В качестве характеристики нуклида используют символ химического элемента, указывают атомный номер (число протонов) и массовое число ядра (число нуклонов, т.е. общее число протонов и нейтронов).
Например, 239 94 Pu означает, что ядро атома плутония содержит 94 протона и 145 нейтронов, всего 239 нуклонов.
Существуют следующие виды радиоактивного распада:
Бета-распад;
Альфа распад;
Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад);
Протонная радиоактивность (протонный синтез);
Двухпротонная и кластерная радиоактивность.
Бета-распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета частицы (позитрона или электрона)
Альфа-распад – характерен для тяжелых элементов, ядра которых, начиная с номера 82 таблицы Д.И.Менделеева, нестабильны, несмотря на избыток нейтронов и самопроизвольно распадаются. Ядра этих элементов преимущественно выбрасывают ядра атомов гелия.
Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) – это самопроизвольное деление некоторых ядер тяжелых элементов (уран-238, калифорний 240,248, 249, 250, кюрий 244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. При этом происходит деление ядра на два осколка(ядра), близких по массе.
Закон радиоактивного распада
Устойчивость ядер уменьшается по мере увеличения общего числа нуклонов. Она зависит также от соотношения числа нейтронов и протонов.
Процесс последовательных ядерных превращений, как правило, заканчивается образованием стабильных ядер.
Радиоактивные превращения подчиняются закону радиоактивного распада:
N = N 0 e λ t ,
где N, N 0 – число атомов, нераспавшихся на моменты времени t и t 0 ;
λ – постоянная радиоактивного распада.
Величина λ имеет свое индивидуальное значение для каждого вида радионуклида. Она характеризует скорость распада, т.е. показывает, какое количество ядер распадается в единицу времени.
Согласно уравнения закона радиоактивного распада, его кривая является экспонентой.
Количественная оценка радиоактивности и ее единицы
Время, в течение которого, вследствие самопроизвольных ядерных превращений распадается половина ядер, называется периодом полураспада Т 1/2 . Период полураспада Т 1/2 связан с постоянной распада λ зависимостью:
Т 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.
Период полураспада Т 1/2 у разных радионуклидов различен и колеблется в широких пределах – от долей секунды до сотен и даже тысяч лет.
Периоды полураспада некоторых радионуклидов:
Йод-131 - 8,04 суток
Цезий-134 - 2,06 года
Стронций-90 - 29,12 лет
Цезий-137 - 30 лет
Плутоний-239 - 24065 лет
Уран-235 - 7,038 . 10 8 лет
Калий-40 - 1,4 10 9 лет.
Величина, обратная постоянной распада, называется средним временем жизни радиоактивного атома t :
Cкорость распада определяется активностью вещества А:
А = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,
где А и А 0 – активности вещества в моменты времени t и t 0 .
Активность – мера радиоактивности. Она характеризуется числом распадов радиоактивных ядер в единицу времени.
Активность радионуклида прямо пропорциональна общему количеству радиоактивных атомных ядер на момент времени t и обратно пропорциональна периоду полураспада:
А = 0,693 N/T 1/2 .
В системе СИ за единицу активности принят беккерель (Бк). Один беккерель равен одному распаду в секунду. Внесистемная единица активности – кюри (Кu).
1 Кu = 3,7 10 10 Бк
1Бк = 2,7 10 -11 Кu.
Единица активности кюри соответствует активности 1 г радия. В практике измерений пользуются также понятиями объемной A v (Бк/м 3 , Кu/м 3), поверхностной А s (Бк/м 2 , Кu/м 2), удельной А m (Бк/м, Кu/м) активности.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
И СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы : 1)изучение закона радиоактивного распада; 2)исследование закона поглощения g- и b- лучей веществом.
Задачи работы : 1) определение линейных коэффициентов поглощения радиоактивного излучения различных материалов; 2) определение толщины слоя половинного ослабления этих материалов; 3) определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента.
Обеспечивающие средства : компьютер с Windows.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Введение
Состав атомного ядра
Ядро любого атома состоит из частиц двух типов – протонов и нейтронов. Протон представляет собой ядро простейшего атома – водорода . Он имеет положительный заряд, по величине равный заряду электрона, и массу 1,67×10-27 кг. Нейтрон, существование которого было установлено только в 1932 году англичанином Джеймсом Чедвиком, электрически нейтрален, а масса почти совпадает с массой протона . Нейтроны и протоны, представляющие собой два составных элемента атомного ядра, объединяют общим наименованием нуклонов. Число протонов в ядре (или в нуклиде) называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общее число нуклонов, т.е. нейтронов и протонов, обозначается буквой А и называется массовым числом. Обычно химические элементы принято обозначать символом или , где Х – символ химического элемента.
Радиоактивность
Явление радиоактивности состоит в спонтанном (самопроизвольном) превращении ядер одних химических элементов в ядра других элементов с испусканием радиоактивных излучений .
Ядра, подверженные такому распаду, называются радиоактивными. Ядра, не испытывающие радиоактивного распада, называются стабильными. В процессе распада у ядра может изменяться как атомный номер Z, так и массовое число А.
Радиоактивные превращения протекают самопроизвольно. На скорость их течения не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.
Радиоактивный распад характеризуется временем его протекания, сортом и энергиями испускаемых частиц, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между направлениями вылета частиц. Исторически радиоактивность является первым ядерным процессом, обнаруженным человеком (А. Беккерель, 1896).
Различают радиоактивность естественную и искусственную.
Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций. Принципиального различия между искусственной и естественной радиоактивностями нет. Им присущи общие закономерности.
В атомных ядрах возможны и действительно наблюдаются четыре основных типа радиоактивности: a-распад, b-распад, g-распад и спонтанное деление.
Явление a-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают a-частицы (ядра гелия 2 Н 4). При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер – на две:
Z Х А ® Z -2 Y А-4 + 2 Н 4 .
a-частица состоит из четырех нуклонов: двух нейтронов и двух протонов.
В процессе радиоактивного распада ядро может испускать не только частицы, входящие в его состав, но и новые частицы, рождающиеся в процессе распада. Процессами такого рода являются b- и g- распады.
Понятие b-распада объединяет три вида ядерных превращений: электронный (b -) распад, позитронный (b +) распад и электронный захват.
Явление b - -распада состоит в том, что ядро самопроизвольно испускают электрон е - и легчайшую электрически нейтральную частицу антинейтрино , переходя при этом в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, но единицу большим:
Z Х А ® Z +1 Y А + е - + .
Необходимо подчеркнуть, что испускаемый при b - -распаде электрон не имеет отношения к орбитальным электронам. Он рождается внутри самого ядра: один из нейтронов превращается в протон и при этом испускает электрон.
Другим типом b-распада является процесс, в котором ядро испускает позитрон е + и другую легчайшую электрически нейтральную частицу – нейтрино n. При этом один из протонов превращается в нейтрон:
Z Х А ® Z -1 Y А + е + +n.
Этот распад называют позитронным или b + -распадом.
В круг b-распадных явлений входит также электронный захват (часто называемый также К-захватом), при котором ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из К-оболочки), испуская нейтрино. При этом, как и в позитронном распаде, один из протонов превращается в нейтрон:
е - + Z Х А ® Z -1 Y А +n.
К g- излучению относят электромагнитные волны, длина которых значительно меньше межатомных расстояний:
где d - имеет порядок 10 -8 см. В корпускулярной картине это излучение представляет собой поток частиц, называемых g- квантами. Нижний предел энергии g- квантов
Е = 2p с/l
имеет порядок десятков кэВ. Естественного верхнего предела нет. В современных ускорителях получаются кванты с энергией вплоть до 20 ГэВ.
Распад ядра с испусканием g - излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. Подобно атому, ядро может находиться в возбужденном состоянии. При переходе в состояние с более низкой энергией, или основное состояние, ядро испускает фотон. Так как g-излучение не несет заряда, при g - распаде не происходит превращения одного химического элемента в другой.
Основной закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад – это статистическое явление: невозможно предсказать, когда распадается данное нестабильное ядро, можно лишь сделать некоторые вероятностные суждения об этом событии. Для большой совокупности радиоактивных ядер можно получить статистический закон, выражающий зависимость не распавшихся ядер от времени.
Пусть за достаточно малый интервал времени распадается ядер. Это число пропорционально интервалу времени, а так же общему числу радиоактивных ядер:
где – постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра и различная для разных радиоактивных веществ. Знак «-» поставлен в связи с тем, что < 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.
Разделим переменные и проинтегрируем (1) с учётом того, что нижние пределы интегрирования соответствует начальным условиям (при , где – начальное число радиоактивных ядер), а верхние – текущим значениям и :
(2)
Потенцируя выражение (3), имеем
Это и есть основной закон радиоактивного распада : число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.
На рис.1 изображены кривые распада 1 и 2, соответствующие веществам с разными постоянными распада (λ 1 > λ 2), но с одинаковым начальным числом радиоактивных ядер. Линия 1 соответствует более активному элементу.
На практике вместо постоянной распада чаще используют другую характеристику радиоактивного изотопа – период полураспада . Это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Естественно, что это определение справедливо для достаточно большого числа ядер. На рис.1 показано, как с помощью кривых 1 и 2 можно найти периоды полураспада ядер: проводится прямая, параллельная оси абсцисс через точку с ординатой , до пересечения с кривыми. Абсциссы точек пересечения прямой и линий 1 и 2 дают периоды полураспада Т 1 и Т 2.
(8)
Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада. Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.
Единица активности – беккерель (Бк), что соответствует активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада.
Наиболее употребительной единицей активности является кюри (Ки): 1 Ки = 3,7×10 10 с -1 , кроме нее существует еще одна внесистемная единица активности – резерфорд (Рд): 1 Рд = 10 6 Бк = 10 6 с -1
Для характеристики активности единицы массы радиоактивного источника вводят величину, называемую удельной массовой активностью и равную отношению активности изотопа к его массе. Удельная массовая активность выражается в беккерелях на килограмм ().
Похожая информация.
§ 15-ж. Закон радиоактивного распада
Появление «ручных» сцинтилляционных счетчиков и, главным образом, счётчиков Гейгера–Мюллера, которые помогли автоматизировать подсчёты частиц (см. § 15-е), привело физиков к важному выводу. Любой радиоактивный изотоп характеризуется самопроизвольным ослабеванием радиоактивности, выражающимся в уменьшении количества распадающихся ядер в единицу времени.
Построение графиков активности различных радиоактивных изотопов приводило учёных к одной и той же зависимости, выражающейся показательной функцией (см. график). По горизонтальной оси отложено время наблюдения, а по вертикальной – количество нераспавшихся ядер. Кривизна линий могла быть различной, однако сама функция, которой выражались описываемые графиками зависимости, оставалась одной и той же:
Эта формула выражает закон радиоактивного распада: количество нераспавшихся с течением времени ядер определяется как произведение начального количества ядер на 2 в степени, равной отношению времени наблюдения к периоду полураспада, взятой с отрицательным знаком.
Как выяснилось в ходе опытов, различные радиоактивные вещества можно охарактеризовать различным периодом полураспада – временем, за которое количество ещё нераспавшихся ядер уменьшается вдвое (см. таблицу).
Периоды полураспада некоторых изотопов некоторых химических элементов. Приведены значения как для естественных, так и для искусственных изотопов.
| Йод-129 | 15 млн лет | Углерод-14 | 5,7 тыс лет | |
| Йод-131 | 8 дней | Уран-235 | 0,7 млрд лет | |
| Йод-135 | 7 часов | Уран-238 | 4,5 млрд лет |
Период полураспада – общепринятая физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Многочисленные опыты показывают, что даже при очень длительном наблюдении за радиоактивным веществом его период полураспада постоянен, то есть не зависит от числа уже распавшихся атомов. Поэтому закон радиоактивного распада нашёл применение в методе определения возраста археологических и геологических находок.
Метод радиоуглеродного анализа. Углерод – очень распространённый на Земле химический элемент, в состав которого входят стабильные изотопы углерод-12, углерод-13 и радиоактивный изотоп углерод-14, период полураспада которого составляет 5,7 тысяч лет (см. таблицу). Живые организмы, потребляя пищу, накапливают в своих тканях все три изотопа. После прекращения жизни организма поступление углерода прекращается, и с течением времени его содержание убывает естественным путём, за счёт радиоактивного распада. Поскольку распадается только углерод-14, с течением веков и тысячелетий изменяется соотношение изотопов углерода в ископаемых останках живых организмов. Измерив эту «углеродную пропорцию», можно судить о возрасте археологической находки.
Метод радиоуглеродного анализа применим и для геологических пород, а также для ископаемых предметов быта человека, но при условии, что соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, например, пожаром или действием сильного источника радиации. Неучёт подобных причин сразу после открытия этого метода приводил к ошибкам на несколько веков и тысячелетий. Сегодня применяются «вековые калибровочные шкалы» для изотопа углерода-14, исходя из его распределения в долгоживущих деревьях (например, в американской тысячелетней секвойе). Их возраст можно подсчитать весьма точно – по годовым кольцам древесины.
Предел применения метода радиоуглеродного анализа в начале XXI века составлял 60 000 лет. Для измерения возраста более древних образцов, например горных пород или метеоритов, используют аналогичный метод, но вместо углерода наблюдают за изотопами урана или других элементов в зависимости от происхождения исследуемого образца.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Модели ядра.
В теории ядра используется модельный подход, основанный на аналогии свойств атомных ядер со свойствами, например, жидкой капли, электронной оболочки атома и т.д.: соответственно модели ядер называют капельной, оболочечной и т.д. Каждая из моделей описывает только определенную совокупность свойств ядра и не может дать его полного описания.
Капельная модель (Н.Бор, Я.И. Френкель, 1936) базируется на аналогии в поведении нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. В обоих случаях силы являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Капельная модель объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакций деления ядер, но не смогла объяснить повышенную устойчивость некоторых ядер.
Согласно оболочечной модели , нуклоны в ядре распределены по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, а устойчивость ядер связывается с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми, их называют магическими – это ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов. Существуют также и дважды магические ядра , в которых магическим является как число протонов, так и число нейтронов – это , и они являются особенно устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер и периодичность их свойств.
По мере накопления экспериментальных данных возникли: обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и т.д.
z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Fwd_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Bwd_h.gifРадиоактивность
Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью . Таким образом, радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц . Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий .
Различают естественную радиоактивность (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, синтезированных посредством ядерных реакций в лабораторных условиях). Принципиального различия между ними нет.
Радиоактивное излучение бывает трех видов: α -, β - и γ -излучения. α - и β -лучи в магнитном поле испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β -лучи отклоняются значительно больше. γ -лучи в магнитном поле вообще не отклоняются (рис.1).
Рисунок 1.
Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, В – магнитное поле.
α -излучение – это поток α-частиц – ядер гелия обладает наименьшей проникающей способностью (0,05мм) и высокой ионизирующей способностью;
β-лучи – это поток электронов, обладают меньшей ионизирующей способностью, но большей проникающей (≈ 2мм);
γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10 –10 м является потоком частиц – γ-квантов. Обладают наибольшей проникающей способностью. Они способны проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.
Закон радиоактивного распада
Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Вероятность распада ядра за единицу времени, равная доле ядер, распадающихся за 1с, называется постоянной радиоактивного распада λ. Число ядер dN распавшихся за очень короткий промежуток времени dt пропорционально полному числу радиоактивных ядер N (нераспавшихся ядер) и промежутку времени dt :
Величину λN называют активностью (скоростью распада) : А = λN = . Единица активности в СИ – беккерель (Бк). До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности – кюри (Ки): 1Ки = 3,7·10 10 Бк.
Знак «–» указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и проинтегрировав,
где N 0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0); N – число нераспавшихся ядер в момент времени t . Можно видеть, что число нераспавшихся ядер убывает со временем экспоненциально. За время τ = 1/λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.
Еще одной величиной, характеризующей интенсивность радиоактивного распада является период полураспада Т – это промежуток времени, за который в среднем число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое.
Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад.
Закон радиоактивного распада можно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e :
Рис. 2 иллюстрирует закон радиоактивного распада.
Рисунок 2. Закон радиоактивного распада.
Радиоактивность применяется для датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов (радиоуглеродный метод, который заключается в следующем: нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом . Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели).
К числу радиоактивных процессов относятся: 1) -распад; 2) β-распад (в том числе и электронный захват); 3) γ- распад; 4) спонтанное деление тяжелых ядер; 5) протонная радиоактивность – ядро испускает один или два протона (Флеров, СССР,1963).
Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения:
Альфа-распад . Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра, которое называют материнским в другое (дочернее) ядро, при этом испускается α -частица – ядро атома гелия .
Примером такого процесса может служить α -распад радия:
 |
α -распад ядер во многих случаях сопровождается γ -излучением.
Бета-распад . Если α – распад характерен для тяжелых ядер, то β – распад – практически для всех. При β -распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным.
Известны три разновидности β – распада: 1) электронный
+
Где - антинейтрино – античастица по отношению к нейтрино.
- электронноенейтрино (маленький нейтрон) – частица с нулевыми значениями массы и заряда. Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. Участвует (кроме гравитационного) только в слабом взаимодействии.
2) позитронный β + -распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино .
+
Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. (Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей).
3) Электронный захват (К – захват) – ядро захватывает орбитальный электрон К – оболочки .
+
Гамма-распад . Процесс внутриядерный и испускание происходит не материнским, а дочерним ядром. В отличие от α - и β -распадов γ -распад не связан с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел.
(Радиоактивное излучение всех видов оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма) .
(Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон . Радон является продуктом α -распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Он может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α -частицы и превращается в полоний , который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана. Человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских обслуживаний. Вклад космических лучей составляет примерно 8 %).
Ядерные реакции
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Символически можно записать: Х + а → Y + b или Х (а,b) Y , где Х , Y – исходное и конечное ядра; а и b – бомбардирующая и испускаемая частицы.
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения : импульса, энергии, момента импульса, заряда, спина. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.
Классификация ядерных реакций :
1) по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; γ – квантов;
2) по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых, средних и высоких энергиях;
3) по роду участвующих в них ядер;
4) по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; заряженных частиц; реакции захвата.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина
| Q = ()c 2 = ΔMc 2 . |
где ∑M i – сумма масс частиц, вступивших в ядерную реакцию;
∑M к – сумма масс образовавшихся частиц. Величина ΔM называется дефектом масс . Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) - экзотермические или с поглощением энергии (Q < 0) - эндотермические.
Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.
1. Деление тяжелых ядер . Реакция деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Уран встречается в природе в виде двух изотопов: (99,3 %) и (0,7 %).
Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра . В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. При делении ядра урана освобождается энергия порядка 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т.д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией . Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис.3.
Рисунок 2. Схема развития цепной реакции
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным ) реактором .
Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова.
2. Термоядерные реакции . Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций , так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 –10 9 К. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой .
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Один из способов ее решения - удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот способ предложили наши соотечественники физики-теоретики А.Д. Сахаров (1921-1989), И.Е. Тамм (1895-1971) и др. Для удержания плазмы создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из них - Токамак-10, впервые созданный в 1975 г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. В последнее время сооружаются новые модификации термоядерных реакторов. Управляемый термоядерный синтез - это важнейшая проблема современного естествознания, с решением которой, как предполагается, откроется новый перспективный путь развития энергетики.
На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\buttonModel_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\buttonModel_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\buttonModel_h.gif
