Радиоактивность. Закон радиоактивного распада заключение

• Название: Закон радиоактивного распада заключение
• Анкор: Радиоактивность
• Дата: 02.02.2022
• Размер: 85.76 Kb.
• Имя файла: Радиоактивность.docx
• Тип: Закон; #349220

«Явление радиоактивности»

ВВЕДЕНИЕ
Явление радиоактивности

1. 
   Естественная и искусственная радиоактивность
   
2. 
   Характеристики радиоактивности
   1) α-распад
   2) β-распад
   

3. 
   γ-распад
   
4. 
   Спонтанное деление и двупротонная радиоактивность
   
5. 
   Закон радиоактивного распада
   

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современный мир и промышленность уже вряд ли смогут обойтись без атомной энергетики. Ядерные реакторы питают подводные лодки, обеспечивают электричеством целые города, а специальные источники энергии, основанные на радиоактивном распаде, устанавливают на искусственные спутники и роботов, которые изучают другие планеты.

Радиоактивность была открыта в самом конце XIX века в 1896 году французским физиком А. Беккерелем.

Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Склодовская – Кюри. В июле 1898 года Кюри опубликовали статью «О радиоактивном веществе, содержащемся в урановой смоляной обманке», в которой сообщали об открытии одного из элементов, названного полонием. В декабре они объявили об открытии второго элемента, который назвали радием. Оба новые элементы были во много раз радиоактивнее, чем уран или торий, и составляли одну миллионную часть урановой смоляной обманки.

Не имея лаборатории и работая в помещении институтской кладовки, а позже в сарае на улице Ломон в Париже, супруги Кюри в последующие четыре года (с 1898 по 1902 год) переработали восемь тонн уранинита, чтобы выделить из руды радий в достаточном для определения его атомного веса количестве [1]. Работая в примитивных и вредных условиях, они проводили операции химического разделения в огромных чанах в сарае, а все анализы — в крохотной, бедно оснащенной лаборатории Муниципальной школы.

1. Явление радиоактивности.

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и рентгеновских лучей.

Беккерель взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в

чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель увидел изображение куска соли. Только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.

24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук он сделал сообщение «Об излучении, производимых фосфоресценцией». Но через несколько дней в интерпретацию полученных результатов были внесены корректировки. 26 и 27 февраля в лаборатории Беккереля был подготовлен очередной опыт с небольшими изменениями, из-за облачной погоды он был отложен. Не дождавшись хорошей погоды, 1 марта Беккерель проявил пластинку, на которой лежала урановая соль, так и не облучённую солнечным светом. Она не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. 2 марта Беккерель доложил об этом открытии на заседании Парижской Академии наук, озаглавив свою работу «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами».

Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу — урану.

В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран.

Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатного состояния.

2. Естественная и искусственная радиоактивность.

Естественной радиоактивностью называются радиоактивные явления, происходящие в природе.

В земной коре естественно-радиоактивные элементы содержатся преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным номером более 83. Ядра тяжелых элементов неустойчивы. Они претерпевают в ряде случаев многократные последовательные ядерные превращения. В результате возникает целая цепочка радиоактивных распадов, в которой изотопы оказываются генетически связанных между собой.

Радиоактивным семейством называется цепочка, содержащая совокупность всех изотопов ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных превращений из одного элемента. В настоящее время известно три естественно-радиоактивных семейства, включающих изотопы, присутствующие в настоящее время на

Земле:

а). урана-радия (²³⁸₉₂ U-Ra)

б). тория ( ²³²₉₀ Th) в). актиния (²³⁵₈₉ Ac)

И один ряд, состоящий из ядер, радиоактивные изотопы которого успели распасться за время существования Земли: г). нептуния (^!"#_!"Np)

Искусственной радиоактивностью называются аналогичные процессы, происходящие в искусственной среде.

Явление искусственной радиоактивности открыто в 1934 г. супругами Жолио-Кюри, которые показали, что при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов образуются другие элементы, являющиеся радиоактивными. Ядра стабильных элементов можно бомбардировать также нейтронами. В настоящее время известно свыше 900 радионуклидов, получаемых искусственным путем.

Искусственные радионуклиды подразделяются на три группы:

а). Радиоактивные продукты ядерного деления. Они возникают при реакциях деления ядер 235U, 238 U, 239Pu, которые происходят в результате действия на них нейтронов.

б). Радиоактивные трансурановые элементы, возникающие в ядерноэнергетических установках и при ядерных взрывах в результате последовательных ядерных реакций с ядрами атомов делящегося вещества и последующего радиоактивного распада образующихся сверхтяжелых ядер.

в). Продукты наведенной радиоактивности, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц. Нейтроны, образующиеся при цепной реакции деления урана или плутония воздействуют на ядра стабильных элементов окружающей среды, превращая их в радиоактивные Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

3. Характеристики радиоактивности.

Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство:

M >∑m_i.

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными.

Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад, бетараспад, гамма-распад и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы).

1). α-распад.

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Альфа-распад происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140. Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно αчастица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако она может преодолеть его и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

α-распад: !!𝑋 → !!!!!!𝑌+!!𝐻𝑒

где A-атомная масса элемента, Z-зарядовое число элемента (Z равно числу протонов в элементе). α-распад обусловлен сильным взаимодействием.

2). β-распад.

Бета-распад бывает трех видов:

1. 
   β¯ - распад: ^!_!𝑋→ _!!^!_!𝑌+𝑒^!+𝜈_!
   
2. 
   β - распад: ^!_!𝑋 → _!!^!_!𝑌+𝑒^!+𝜈_!
   
3. 
   e – захват: ^!_!𝑋 +𝑒^!→ _!!^!_!𝑌+𝜈_!
   

Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад - процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон.

3). γ-распад.

Переход ядра из возбужденного состояния в основное состояние или в состояние с меньшей энергией возбуждения может происходить различными способами, в том числе путем испускания электромагнитного γ-излучения. Из этого следует, что γ-излучение — это самопроизвольное коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами*. Переходы ядра из возбужденного состояния, сопровождающиеся испусканием γ-лучей, называются радиационными переходами.

Радиационный переход может быть:

• 
  однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние.
  
• 
  каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.
  

По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно при радиоактивном распаде ядер, энергия ядерных γ-квантов заключена в пределах примерно от 10 кэВ до 5 МэВ, а при ядерных реакциях рождаются γ-кванты до 20 МэВ. Так как в γ-распаде не происходит рождения протона или нейтрона, то, в отличие от α- и β-распадов, каждый из которых является ядерным превращением, при γ-распаде ядерного превращения не происходит. γ-распад: ^!_!𝑋 → ^!_!𝑋 +𝛾

*Возбуждённые состояния ядер − состояния, в которых энергия системы превышает наименьшее возможное значение энергии, которое называется основным состоянием. Возбуждённое состояние ядра является неустойчивым, и с течением времени ядро переходит в состояние с меньшей энергией возбуждения и в результате таких переходов оказывается в основном состоянии.

4). Спонтанное деление - деление ядра на осколки (чаще всего на два) сравнимых масс и зарядов: 𝐴, 𝑍 = 𝐴_!, 𝑍_! + 𝐴_!, 𝑍_! ;𝐴=𝐴_!+𝐴_!, 𝑍=𝑍_!+ 𝑍_!

Двупротонная радиоактивность: (A,Z) → 2р + (A-2,Z-2).

При протонной и двупротонной радиоактивности протоны проникают через кулоновский потенциальный барьер благодаря туннельному эффекту. Это явление наблюдается для нейтронодефицитных ядер с Z < 50.

5). Закон радиоактивного распада.

Важнейшей характеристикой радиоактивности является закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется число N радиоактивных ядер в образце:

N(t) = N₀e^–λt

N₀ – число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или

начала наблюдения),

λ – постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени).

Среднее время жизни радиоактивного ядра: τ = 1/λ.

Период полураспада радиоактивного ядра: T_1/2 = ln2/τ.

Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое.

Активность A - среднее количество ядер, распадающихся в единицу

времени: A(t)=λN(t)

Активность измеряется в кюри (Ки) и беккерелях (Бк)

1 Ки = 3,7·10^!" распадов/c, 1 Бк = 1 распад/c.

Активность в расчете на единицу массы радиоактивного препарата называют удельной активностью.

Следует подчеркнуть, что процесс радиоактивного распада - это случайный процесс и можно говорить лишь о вероятности его протекания. Так если в образце N радиоактивных ядер, то в единицу времени не обязательно произойдёт λN актов радиоактивного распада. Это число может быть и больше, и меньше λN, которое в данном случае является лишь средним.

На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость

(период полураспада), оказывают существенное влияние силы взаимодействия, вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным.

Сложный радиоактивный распад может протекать в двух случаях:

1. 
   В первом случае исследуемый препарат содержит несколько сортов радиоактивных ядер. Пусть исследуемый препарат содержит два сорта радиоактивных ядер с постоянными распада λ₁ и λ₂. В этом случае общее число радиоактивных ядер будет изменяться со временем по закону:
   

𝑁=𝑁!∗𝑒!!"!+𝑁!∗𝑒!!!!

2. 
   В о втором случае происходит последовательные распады одного и того же ядра. Часто бывает что ядро, получившееся в результате радиоактивного распада, само оказывается радиоактивным, так что происходит последовательный распад исходного ядра 1 в ядро 2, а ядро 2 в ядро 3. В этом случае изменение числа N₁ ядер 1 и числа N₂ ядер 2 определяется системой уравнений:
   

.

!" !"

Если T₁ >> T₂ (λ₁ << λ₂), и рассматриваются времена t << T₁, и если при этом N .



Для оценки значения N₂(t) можно использовать графический метод построения кривых e^−λt и (1 − e^−λt). Получаем, что количество радиоактивного дочернего вещества возрастает с течением времени и при t >> T₂ (λ₂t >> 1) приближается к своему предельному значению:

lim𝑁_! 𝑡 = ^!_!^!!𝑁_!" = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

При t > 10T равенство ↑ выполняется уже с точностью около 0.1%. Обычно оно записывается в форме:

𝝀𝟏𝑵𝟏 =𝝀𝟐𝑵𝟐

и носит название векового равновесия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отметим, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, например, индия, калия, рубидия или кальция, одни природные изотопы стабильны, другие же радиоактивны). Так же ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро.