Лекция 13.

Организация материи на физическом и химическом уровнях

 

4. Изотопы. Естественная радиоактивность: процесс на физическом уровне организации материи

 

В настоящее время известно ….  С существованием неустойчивых изотопов (радионуклидов) связано явление естественной радиоактивности.

Радиоактивность – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри. При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.

 

Закон радиоактивного распада как статистический закон. Предсказать, какой из атомов распадется в данный момент, тогда как другой (ничем от него не отличающийся) еще сохранится неизменным более или менее длительный промежуток времени, мы не можем. В этом смысле современные представления фактически не отличаются от тех, которые были сформулированы в начале века при открытии радиоактивности. Связано эта с тем, что поведение каждого ядра не зависит от остальных присутствующих ядер. В принципе все радиоактивные ядра неустойчивы, поэтому когда-нибудь каждое ядро распадется. Но предугадать поведение данного ядра в данный момент невозможно: оно может распадаться, а может и уцелеть. Следовательно, можно говорить лишь о вероятности того, распадется ли данное ядро за данный промежуток времени. Чем больше ядер или чем больше промежуток времени, тем больше вероятность того, что хотя бы одно ядро распадется (рис. 1).

Рис. 1. Кривая радиоактивного распада

 

Вероятностные события можно описывать математически лишь при колоссально большом числе возможных событий (в данном случае количества способных к распаду ядер). Это основной закон математической статистики — закон больших чисел. При его использовании мы не можем предвидеть поведение отдельного ядра, но можем с большой точностью предвидеть поведение очень большого числа ядер. Вероятность того, что в данный промежуток времени одна из частиц распадется, тем больше, чем больше число частиц. Количество ядер DNt, которое распадается за бесконечно малый промежуток времени Dt, должно быть пропорционально общему числу частиц Nо (рис. 1), существующих к моменту времени t:

 

Это и есть основной закон радиоактивного распада.

В этом уравнении коэффициент пропорциональности называется константой радиоактивного распада, физический смысл которой заключается в том, что она равна скорости распада при N₀ = 1, или, другими словами, постоянная радиоактивного распада l  представляет собой долю распавшихся за единицу времени ядер от общего числа ядер радиоактивных элементов, имеющихся в данный момент.

Отношение DN/Dt численно выражает скорость реакции в данный момент времени t. Так как с течением времени ядра распадаются и их остается все меньше и меньше, то с уменьшением n_o скорость распада также уменьшается, на это и указывает знак минус в уравнении (1). Очевидно, максимальной скорость распада будет в самом начале, когда t=0 и число не распавшихся ядер максимально равно n_o,с течением времени скорость будет убывать по закону, называемому экспоненциальным. Величина, обратная константе радиоактивного распада, t=1/l называется средней продолжительностью жизни ядра данного изотопа. Если бы скорость радиоактивного распада не уменьшалась, а оставалась постоянной и равной максимальной (при t = 0 и N = N_Q), то все ядра распались бы за время t; в этом и заключается физический смысл средней продолжительности жизни.

Следует подчеркнуть статистический характер основного закона радиоактивного распада. Если из уравнения (1) следует, что за данный промежуток времени должно распасться 100 ядер, то на самом деле их может быть 95 или 105, менее вероятно — 90 или 110; еще менее вероятно — 80 или 120 и т. д., хотя может встретиться любая из величин, причем,  чем она больше отличается от 100, тем меньше вероятность ее появления. Если 100 — среднее (среднестатистическое) число распавшихся ядер, то отклонения от него называются флуктуациями скорости распада.

Скорость ядерного распада характеризуется еще одной величиной — периодом полураспада. Величину ограничивают таким интервалом времени, за которое распадается половина от первоначально взятого количества. Такой интервал времени называется периодом полураспада T_1/2. .

 

Состав излучения при радиоактивности. Виды радиоактивных излучений. Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, в миллионы раз более сильные, чем уран (препараты радия, полония, актиния), можно было 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, многие другие. Прежде всего, была изучена проникающая способность лучей, а также действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь «лучей». Пьер Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые b-лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и b-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов.

Отклоняющиеся лучи обладали более сильной способностью проникать через различные материалы, тогда как неотклоняющиеся легко поглощались даже тонкой алюминиевой фольгой – так вело себя, например, излучение нового элемента полония – его излучение не проникало даже сквозь картонные стенки коробки, в которой хранился препарат.

При использовании более сильных магнитов оказалось, что a-лучи тоже отклоняются, только значительно слабее, чем b-лучи, причем в другую сторону. Отсюда следовало, что они заряжены положительно и имеют значительно бóльшую массу (как потом выяснили, масса a-частиц в 7740 раз больше массы электрона). Впервые это явление обнаружили в 1899 А.Беккерель и Ф.Гизель. В дальнейшем выяснилось, что a-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Когда же в 1900 французский физик Поль Вийар (1860–1934) исследовал более подробно отклонение a- и b-лучей, он обнаружил в излучении радия и третий вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях, это открытие вскоре подтвердил и Беккерель. Этот вид излучения, по аналогии с альфа- и бета-лучами, был назван гамма-лучами, обозначение разных излучений первыми буквами греческого алфавита предложил Резерфорд. Гамма-лучи оказались сходными с лучами Рентгена, т.е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и соответственно с большей энергией. Все эти виды радиации описала М.Кюри в своей монографии «Радий и радиоактивность» (опубликована в Париже в 1904, русский перевод – 1905).

 

Выделение энергии при радиоактивном распаде. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию.

Энергия связи атомного ядра Е_св характеризует интенсивность взаимодействия нуклонов в ядре и равна той максимальной энергии, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные невзаимодействующие нуклоны без сообщения им кинетической энергии. У каждого ядра своя энергия связи. Чем больше эта энергия, тем более устойчиво атомное ядро. Точные измерения масс ядра показывают, что масса покоя ядра m_я всегда меньше суммы масс покоя, составляющих его протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы:

Именно эта часть массы Дт теряется при выделении энергии связи. Применяя закон взаимосвязи массы и энергии, получим:

где m_н - масса атома водорода.

 

Ядерные реакции расщепления ядер атомов  под действием нейтронов. Цепная ядерная реакция - процесс расщепления тяжелого радиоактивного ядра на более легкие ядра, сопровождающееся выделением большого количества энергии - используется в ядерных реакторах для получения тепловой энергии (управляемая ядерная реакция).

Неуправляемая цепная ядерная реакция протекает в атомной бомбе. На рис. 1 представлена схема цепной реакции ядерной реакции под действием нейтронов

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Цепная ядерная реакция расщепления