по физике на тему: «Естественная и искусственная радиоактивность» (стр. 3 из 9)

Энергия связи ядра.

Важную роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, узнать, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру огромное количество энергии.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основании закона сохранения энергии* можно также утверждать, что энергии связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика.

Точные измерения масс атомных ядер показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс такого же числа свободных протонов и нейтронов:

m_я<Zm_p+Nm_n ⁽⁴⁾

Существует так называемый дефект масс. Он равен (с обратным знаком) энергии связи нуклонов в ядре. Его смысл заключается в том, что разность масс

Δm= Zm_p + Nm_n — m_я ⁽⁵⁾

положительна. К примеру, для гелия масса ядра на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для одного моля гелия Δm = 0,03 г.

Чем больше дефект масс, тем выше E_св, следовательно, тем устойчивее ядро. Дефект масс измеряется в а.е.м..

Уменьшение массы ядра при образовании его из нуклонов означает то, что при этом уменьшается и энергия этой системы нуклонов на величину энергии связи Е_св:

E_св=Δmc²= (Zm_p+Nm_n-m_я)c² ⁽⁶⁾

*Закон сохранения энергии утверждает, что энергия не может создаваться или исчезать, но может только превращаться из одной формы в другую.

Но куда же при этом деваются энергия E_св и масса Δm?

При образовании ядра из частиц, эти частицы за счет действия ядерных сил устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом γ-кванты как раз обладают энергией E_св и массой

Δm = E_св / c² ⁽⁷⁾

О том, как велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и сгорание 1,5—2 вагонов каменного угля.

Изотопы.

В результате наблюдения большого числа радиоактивных превращений выяснилось, что существуют вещества, совершенно одинаковые по своим химическим свойствам, но распадающиеся совершенно по-разному. Их никак не удавалось разделить. На этом основании физик Содди в 1911 г. высказал теорию о существовании элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различных по своей радиоактивности. Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Менделеева. Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди подтвердилось год спустя, когда Томсон произвёл точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрических и магнитных полях. Томсон обнаружил, что атомы неона бывают двух видов. Большая часть атомов имеет относительную массу, равную 20. Но есть незначительное количество атомов с относительной атомной массой 22. В результате относительная атомная масса смеси равна 20,2. Так выяснилось, что атомы, обладающие одинаковыми химическими свойствами, имеют разную массу.

Изотопы могут быть как радиоактивными, так и стабильными. Чаще всего они радиоактивные. Но встречаются и стабильные ядра. Например дейтерий - нерадиоактивный изотоп водорода, имеющий атомную массу равную двум. Но у водорода есть и другой изотоп – тритий, радиоактивный и имеющий период полураспада 12 лет ( он имеет атомную массу равную трём).

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Менделеева.

Итак, изотопы являются атомами одного и того же элемента (так как у них одинаково число протонов и электронов) с различным числом нейтронов и, следственно, с различным массовым числом. Почти все элементы, найденные в природе, являются смесью различных изотопов. Изотопы определенного элемента имеют одинаковые химические свойства и разные физические свойства (плотность, скорость диффузии и т.д.).

Глава 2.

Закон радиоактивного распада.

Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, в течение которого активность убывает в два раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т — это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов, т.к. уменьшения активности препарата в два раза можно достичь простым делением его на две равные части.

Рис.2 Найдем теперь математическую форму закона радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t=0) равно N₀. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно N₀/2. Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным

½ * N₀/2 = N₀ /4= N₀/2²⁽⁸⁾

По истечении времени t = nT, т.е. спустя n периодов полураспада T, радиоактивных атомов останется:

N = N₀^. 1/2n ⁽⁹⁾

Поскольку

N = t/T ⁽¹⁰⁾

то

N = N₀^. 2^{-t / T(11)}

Это и есть основной закон радиоактивного распада. По последней формуле находят число нераспавшихся атомов в любой момент времени.

Период полураспада основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Период полураспада радия равен 1600 лет. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.

Чтобы, пользуясь формулой, определить период полураспада, надо знать число атомов N₀ в начальный момент времени и подсчитать число не распавшихся атомов N спустя определенный интервал времени.

Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона понять нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Радиоактивные атомы не «стареют». Так, атомы радона, возникающие при распаде радия, имеют одинаковые шансы претерпеть радиоактивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Вероятность распада одного ядра за 1с называется постоянной распада и обозначается λ. Для любого ядра данного изотопа постоянная распада одинакова, ядра различных изотопов имеют разные постоянные распада.

Если имеется N ядер радиоактивного изотопа с постоянной распада λ, то за малый промежуток времени dt из них должно испытать радиоактивный распад количество ядер dN, пропорциональное λ, N и dt:

dN= - λ ^. N ^. dt ⁽¹²⁾

Распад любого атомного ядра это, так сказать, не «смерть от старости» а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни τ.

Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, в то время как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии. Среднее время жизни τ — это просто среднее арифметическое времени жизни достаточно большого количества атомов данного сорта. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Закон радиоактивного распада определяет среднее число атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом.

Говорить об определенном законе радиоактивного распада для малого числа атомов не имеет смысла. Этот закон справедлив в среднем для большого количества частиц.

Виды радиоактивных излучений и распадов.

Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, они смогли более подробно ознакомиться со свойствами радиоактивного излучения. В первых исследованиях на эту тему самое активное участие приняли Эрнест Резерфорд супруги Мария и Пьер Кюри, А.Беккерель и многие другие. Сначала была изучена проникающая способность лучей и действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь некоторых «лучей». Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Он обнаружил новый вид лучей, которые назвали Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято предложение немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием. Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген заметил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый тетрацианоплатинатом бария Ba[Pt(CN)4] (раньше его называли платиносинеродистым барием). Это вещество дает яркое желто-зеленое свечение под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску, через алюминиевую пластину... Рентген понял возможности своего открытия: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.