Строение атома. Периодический закон. Iv строение атома и периодическая система элементов логическая схема главы 154 155
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Типы и свойства радиоактивного излучения Из курса средней школы известно, что имеются три основных типа радиоактивного излучения: α -, β - и γ -лучи. α -лучи представляют собой поток ядер гелия, β -лучи – поток электронов, γ -лучи – это электромаг-нитные кванты с малой длиной волны. Например, радий, выбрасывая γ -частицу, превращается в радон. Торий (изотоп 23490Th), выбрасывая β -частицу , превращается в про-тактиний. Такие же примеры можно привести и для искусственно по-лучаемых изотопов. Так, изотоп 2411Na, который часто используется как меченый атом, превращается в изотоп магния, выбрасывая β - частицу (отрицательно заряженный электрон). γ -излучение обычно сопровождает радиоактивный распад с выбросом α - и β -частиц. Кроме трех классических видов радиоактивности, есть и другие, тоже часто встречающиеся. Например, при радиоактивном распаде ядро искусственно получаемого изотопа азота 137N испускает позитрон (по-ложительный электрон) и превращается в изотоп углерода 136C. Иногда при радиоактивном распаде происходит втягивание в атом-ное ядро электрона с ближайшей к ядру электронной оболочки. Это так называемый электронный захват, или "К-захват". Примером может слу-жить превращение изотопа ванадия 4923V в изотоп титана 4922Ti, которое происходит в результате захвата атомным ядром ванадия одного элек-трона с К-оболочки. При этом атомный номер элемента уменьшается на единицу, хотя массовое число не изменяется.
200 Одно из самых важных явлений, связанных с радиоактивностью, – это реакция деления атомных ядер. Например, изотоп урана 23592U, по- глотив нейтрон, превращается в неустойчивый изотоп 23692U, который как бы разваливается на две части, образуя "осколки": 14857La и 8535Br, и , кроме того, выделяет три избыточных нейтрона. Это отнюдь не единст-венный путь распада. Тот же изотоп 23692U может распадаться по-другому: например, на ядра криптона и бария с одновременным высво-бождением двух нейтронов. Однако при любом варианте деления ядра урана на два осколочных ядра с меньшими атомными номерами проис-ходит сопровождающееся выделением колоссального количества энер-гии смещение по кривой дефекта масс влево вверх, где расположены элементы с меньшим относительным содержанием нейтронов в атомных ядрах. При рассмотрении ядерных превращений, а также ядерных реак-ций, полезно пользоваться так называемым правилом смещения, сфор-мулированным в 1913 г. К.Фаянсом: при α -распаде заряд ядра уменьша-ется на две единицы, а атомная масса – на четыре. При β -распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а масса не меняется. При позитронном распаде масса ядра также не меняется, а заряд ядра уменьшается на еди-ницу. Наконец, при изомерном превращении не изменяются ни заряд, ни масса ядра. Электронный захват и позитронный распад имеют одинаковые по-следствия. Разница лишь в том , что электрон, внедряющийся в атомное ядро при К-захвате, оставляет свободное место на к-электронной обо-лочке атома. На это место перескакивают электроны с наружных оболо-чек. В результате возникает характеристическое излучение с длиной волны, отвечающей уже новому, а не исходному атомному ядру. В соот-ветствии с правилом смещения элемент, испытывающий тот или иной распад, смещается в периодической системе вправо или влево на две или одну клетку (при ИП не смещается). Для фиксации радиоактивного излучения и измерения его интен-сивности пользуются счетчиками Гейгера – Мюллера различной конст-рукции. Обычно это алюминиевая трубка, внутри которой находится специальная газовая смесь и по центру натянута вольфрамовая нить. К вольфрамовой нити и алюминиевой оболочке счетчика приложена раз-ность потенциалов порядка 2000 В. Когда радиоактивная частица через тонкую алюминиевую оболочку попадает внутрь счетчика, она, обладая высокой энергией, ионизирует газ, наполняющий счетчик, как говорят, вызывает "ионную лавину". 201 Разряд быстро прекращается, так как при разряде разность потен-циалов между W-нитью и Al-оболочкой счетчика резко уменьшается. Однако, как только разряд прекращается, напряжение быстро возраста-ет, и новая радиоактивная частица вновь вызывает разряд. Электриче-ские импульсы, возникающие при разряде, преобразуются в звук или фиксируются цифровым табло. Счетчиком Гейгера измеряют число рас-падов в секунду. Конечно, это относительная скорость, так как число регистрируемых импульсов зависит от конструкции счетчика, располо-жения образца и других факторов. Пересчет на абсолютную активность ведут, используя эталоны. Единицы, в которых измеряют радиоактивность, называются кюри (Ки). 1 Ки соответствует 3.7 ⋅ 1010 расп/с – это скорость распада 1 г Ra.
Интересно, что масса 1 Ки зависит от T1/2 радиоизотопа. Например, препарат полония 210Po (T1/2 = 138.4 сут), имеющий активность 1 Ки, весит 0.2 г, а такой же активности препарат изотопа плутония 239Pu (T1/2
Проникающую способность β -лучей удобно продемонстрировать, используя изотоп 9038Sr, дающий жесткое β -излучение и имеющий удоб-ную для практического использования изотопа величину T1/2 (≈25 лет). Поднося к включенному счетчику препарат стронция-90, мы заме-чаем, что счетчик улавливает β -лучи уже на большом расстоянии. Когда препарат поднесен к "окошку" счетчика вплотную, "треск" счетчика становится сплошным, нельзя уловить отдельных разрядов, говорят, что счетчик "захлебывается". Поставим перед счетчиком лист бумаги – он практически не изменяет интенсивность излучения. Теперь закроем счетчик, к которому поднесен источник β -лучей, листками алюминиевой 202 фольги. Чем толще слой алюминия, тем меньше мы слышим щелчков, тем меньше β -частиц попадает в счетчик, так как радиоактивное излуче-ние поглощается алюминием. Вот щелчки почти исчезли. Теперь сни-мем часть толстых алюминиевых пластинок, снова слышны щелчки, снова β -частицы попадают в счетчик. Если вместо алюминиевой пользоваться пластинкой из свинца, то оказывается достаточно одной пластины, чтобы щелчки сразу исчезли. Значит, β -частицы довольно легко поглощаются веществами с большой атомной массой, а задерживающее действие веществ с малой плотно-стью (например, бумаги) очень мало.
α -лучи обладают большой энергией, летят со скоростью 20 – 30 тыс. км/с, но из-за большой массы (ядра гелия) очень легко поглощают-ся различными веществами. В качестве α -излучателя воспользуемся препаратом оксида плутония. α -частицы, излучаемые плутонием, фик-сируются с помощью счетчика другой конструкции, нежели β - и γ -лучи (с помощью так называемого фотоэлектрического счетчика). Достаточ-но самой тонкой алюминиевой пластины, чтобы задержать α -лучи. Экспериментально можно убедиться в том, что в отличие от γ - лучей, α - и β -лучи несут заряд. Это можно показать на примере β -лучей. Поместим ампулу с радиоактивным изотопом 9038Sr (β -излучателем) ме-жду полюсами лабораторного электромагнита. Когда магнит не вклю-чен, слышен треск – это β -частицы, попадая в счетчик Гейгера-Мюллера, фиксируются счетной установкой. После включения магнита треск смолкает, поскольку магнит отклоняет β -частицы от прямолиней-ного пути, и они не попадают в счетчик. 203 Проделаем то же самое с γ -излучением. Для этого между полюсами магнита поместим ампулу с 13755Cs. При включенном магните счетчик фиксирует сильное γ -излучение. Выключение магнита не дает никаких изменений, счетчик по-прежнему продолжает фиксировать сильный по-ток γ -лучей. Выключим магнит – все остается, как было. Следовательно,
Радиоактивное излучение обладает способностью ионизировать ок-ружающий воздух. Это свойство можно показать на простом приборе. К металлическому стержню, укрепленному на изолирующей подставке, прикреплены тонкие полоски бумаги в виде султана. Если наэлектризо-вать эбонитовую палочку трением и зарядить металлический стержень, бумажки, с ним скрепленные, разойдутся в разные стороны из-за взаим-ного отталкивания, так сказать, встанут дыбом. Поднесем к султану ра-диоактивное вещество, например, эмаль, содержащую β -излучатель, – изотоп прометия 14761Pm. Султан быстро опадает, бумажки перестают отталкиваться друг от друга и от стержня. При повторении опыта про-исходит все то же самое. Описанное явление имеет важное практическое применение: когда производится прядение волокон, особенно искусственных, возникают заряды статического электричества, которые запутывают волокна. При повышении электропроводности воздуха электростатические заряды быстро стекают с волокон, не накапливаясь на них и не вызывая их спу-тывания. Таким нейтрализатором статических зарядов служит радиоак-тивный препарат, ионизирующий окружающий его воздух и способст-вующий увеличению его электропроводности. Способность радиоактивных лучей ионизировать воздух можно продемонстрировать с помощью электроскопа. Зарядим его эбонитовой палочкой через металлический шарик, имеющийся в верхней части электроскопа. Стрелка прибора указывает, что он заряжен. Изоляция не позволяет электрическим зарядам стекать в землю через подставку, а воздух в обычных условиях мало электропроводен. Приблизив сюда радиоактивный препарат, увидим, что стрелка электроскопа быстро воз-вращается на нуль – электроскоп разрядился через воздух, ионизиро-ванный радиоактивным излучением. Практически важным свойством является также действие радиоак-тивного излучения на некоторые вещества, способные светиться. При-близив к эмали, содержащей радиоактивный 14761Pm (β -излучатель), эк-ран с веществом, способным светиться, мы наблюдаем появление сине- 204 зеленого свечения. Радиоактивное излучение действует также на свето-чувствительные материалы, такие как фотобумага, фотопленки и т.д. Фотоматериалы под действием радиоактивного излучения чернеют (све-точувствительное вещество разрушается) . Это их свойство используется для изготовления простейших счетчиков индивидуального пользования для работающих с радиоактивностью. Контрольные вопросы
205
Задачи
206
вуют ионы He , Ne , Ca .
207 ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ |