Радиоактивные превращения атомных ядер. излучения: альфа, бета и гамма / справочник

Содержание

Слайд 1

1
Учитель физики Гончарова Л.Н.
Гимназия № 524
Санкт — Петербург
Радиоактивные
превращения
атомных ядер
pptcloud.ru
Слайд 2

Фредерик Содди
1877 — 1956
Эрнест Резерфорд
1871–1937
В 1903 г. обнаружили, что радий превращается в радон в результате альфа-распада. Изменяются ядра атомов.
Открытие радиоактивных превращений атомных ядер
2
Слайд 3

Обозначение ядер химических элементов

— Зарядовое число
— Номер химического элемента
— Заряд ядра в элементарных
электрических зарядах
— Массовое число

Зарядовое число
Массовое
число
3
Слайд 4

Обозначение ядер химических элементов и частиц
Примеры:
Частицы:

4
Слайд 5

Правила смещения
А) Альфа – распад: зарядовое число (порядковый номер) элемента уменьшается на две единицы, а массовое число – на четыре единицы
5
Слайд 6

Б) При альфа – распаде химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева на две клетки ближе к ее началу, чем исходный.
Правило смещения

Начало таблицы
Конец
таблицы

6
Слайд 7

Правила смещения
Б) Бета– распад: зарядовое число (порядковый номер) элемента увеличивается на одну единицу, а массовое число не меняется
7
Слайд 8

Правило смещения

Б) При бета – распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева в следующей клетке за исходным (т.е. на одну клетку ближе к концу таблицы).

Начало таблицы
Конец
таблицы

8
Слайд 9

Законы сохранения массового числа и заряда при радиоактивных превращениях
9
Слайд 10

Фредерик Содди
1877 — 1956
Эрнест Резерфорд
1871–1937
Открытие радиоактивных превращений атомных ядер
10
5. Вывод: ядра атомов имеют сложный состав, т. е. состоят из каких-то частиц!?
Слайд 11

Упражнения
1) Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, определить массовое число и зарядовое число химического элемента, образующегося после радиоактивного распада.
11
Слайд 12

Упражнения
2. В результате какого радиоактивного распада натрий-22 превращается в магний – 22?
12
Слайд 13

13
3. Кобальт-60 используется в медицине для лечения и терапии злокачественных образований и воспалительных процессов. Кобальт-60 бета-радиоактивен. Напишите реакцию.
В ходе операции пациент получает ионизирующее излучение из 192 источников кобальта-60…
Упражнения
Кобальт-60
Слайд 14

14
4. Углерод -14 используется для исследования процессов обмена веществ, а также при изучении фотосинтеза растений. Углерод-14 бета-радиоактивен. Запишите реакцию.
Упражнения
Слайд 15

5. Какие заряд Z и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа полония — 215 после одного α — распада и одного β — распада?

15
Упражнения
Слайд 16

16
6. Сколько альфа- и бета-распадов происходит в результате превращения радия-226 в свинец-206?
Упражнения
Cеребристо-серый
металл
Серебристo-белый металл
Слайд 17

7. В какой элемент превращается уран-238 после двух β- распадов и одного α – распада?

17
Упражнения
Слитки природного урана
Слайд 18

18
Какой порядковый номер в таблице Менделеева имеет элемент, который образуется в результате альфа-распада и последующего бета-распада ядра элемента с порядковым номером Z?
1) Z+2
2)Z+1
ГИА — 2011
3) Z-2
4) Z-1
Слайд 19

19
ГИА — 2011
Выберите верное утверждение(-я), если оно имеется среди предложенных.
β-излучение при явлении радиоактивного распада является потоком электронов, вылетающих из
А) электронных оболочек атома
Б) атомного ядра

1) только А
2) только Б
4) ни А, ни Б
3) и А, и Б
Слайд 20

20
ГИА — 2011
Какими цифрами обозначены α-, β-,γ-излучения на рисунке?
1
2
3
1) 1 – α, 2 – β, 3 — γ
3) 1 – α, 2 – γ, 3 — β
2) 1 – β, 2 – α, 3 — γ
4) 1 – β, 2 – γ, 3 — α
Слайд 21

21
Д.з. § 67, Упр. 51(письм), Р. № 1198
Радиоактивные
превращения
атомных ядер
Слайд 22

22
Источники информации:
1) http://www.evrika.ru/news/267
2) http://dic.academic.ru/pictures/enc_colier/7955_001.jpg
3) http://markx.narod.ru/pic/
4) http://medportal.ru/mednovosti/main/2011/11/15/imaging/?picnum=12
5) http://www.periodictable.ru/027Co/Co.html
6) Перышкин А.В., Гутник Е.М. , Физика. 9 класс. Учебник для общеобразовательных школ / — М.: Дрофа, 2009. – 198 с.
7) Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.:Пособие для
общеобразовательных учеб. Заведений. — М.: Дрофа, 2008.
Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для
7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – М.:
Просвещение, 2009.
9) Зорин, Н.И. ГИА 2010. Физика. Тренировочные задания: 9 класс /
Н.И. Зорин. – М.: Эксмо, 2010. – 112 с. – (Государственная (итоговая)
аттестация (в новой форме).

Посмотреть все слайды

Открытие радиоактивных превращений

Сейчас уже из курса физики в 9 классе известно, что радиоактивность — это способность некоторых элементов самопроизвольно превращаться в другие элементы, одновременно испуская невидимое излучение различного вида. Однако в самом конце XIX в, когда А. Беккерель сделал первое сообщение о радиоактивности урана, о радиоактивных превращениях было неизвестно. Было выявлено лишь радиоактивное излучение.

Рис. 1. Открытие радиоактивности.

Вскоре после открытия радиоактивности урана П. Кюри обнаружил радиоактивность тория, а потом еще два радиоактивных вещества с гораздо большей радиоактивностью, чем у чистого урана, — полоний и радий. Выяснилось, что радиоактивные вещества не только испускают невидимые лучи — они постоянно выделяют тепловую энергию.

1 г. чистого радия ежечасно выделяет около 0,5 кДж тепловой энергии. С помощью этой энергии можно нагреть 1 г воды от нулевой температуры до точки кипения.

Радиоактивность сохранялась неизменной в течение долгого времени, и было ясно, что в веществе происходят какие-то важные процессы, которые обеспечивают энергию радиоактивности. Эти процессы изучались в ходе опытов Ф. Содди и Э. Резерфорда. Например, активность тория оставалась постоянной в запаянной ампуле. Однако, если ампулу вскрыть, активность тория быстро уменьшается. Предположили, что в ампуле с торием образуется газ, являющийся радиоактивным, который обладает большей радиоактивностью, чем торий.

Предположение подтвердилось. Из воздуха ампулы удалось выделить газ, впоследствии названный радоном, радиоактивность которого была больше, чем у тория, но быстро уменьшалась со временем. Через 10–15 минут она полностью исчезала. То же самое выяснилось при исследовании других радиоактивных веществ.

Все это позволило Э. Резерфорду сделать вывод, что атомы радиоактивных веществ самопроизвольно превращаются в атомы других веществ, при этом выделяется энергия, гораздо большая по сравнению с энергией химических реакций.

Позже оказалось, что радиоактивными являются все элементы с порядковым номером больше 82.

Пример ряда радиоактивного распада

Нестабильный атом претерпевает серию радиоактивных распадов или превращений, чтобы достичь стабильного состояния. Эта серия превращений называется серией радиоактивного распада.

Серия радиоактивных распадов также называется радиоактивным каскадом, атом не переходит напрямую в стабильное состояние. Скорее, он претерпевает множество преобразований, чтобы достичь стабильного состояния. Примеры радиоактивного распада серия дана ниже-

Ториевая серия– В ряду тория присутствуют следующие элементы: актний, висмут, свинец, полоний, радон, радий и таллий. Суммарное энерговыделение от тория-232 до свинца-208 составляет 42.6 МэВ.
Нептуний серии– В серии нептуний участвуют только два изотопа, а именно висмут-209 и таллий-205. Суммарное выделение энергии из калифорния-249 в таллий-205 составляет 66.8 МэВ.
Урановая серия– Урановый ряд содержит следующие элементы – астат, висмут, свинец, полоний, протактиний, радий и радон, таллий и торий. Суммарное энерговыделение от урана-238 до свинца-206 составляет 51.7 МэВ.
Серия актиния– Серия Actinium состоит из актиния, астатина, висмута, франция, свинца, полония, протактиния, радия, таллия, тория и радона. Суммарная энергия, выделяемая ураном-235 и свинцом-207, составляет 46.4 МэВ.

Радиоактивные ряды

Поскольку при радиоактивном распаде номер элемента уменьшается максимум на две единицы, а существуют элементы с номерами гораздо больше 82, получается, что после радиоактивного распада ядро всё равно остается радиоактивным и тоже подвержено распаду.

В результате элементы можно выстроить в целые радиоактивные ряды, в каждом из которых происходят цепочки превращений одних веществ в другие. И поскольку во время распада массовое число может измениться только на четыре единицы, существует четыре радиоактивных ряда, в которых список элементов различен:

Рис. 3. Радиоактивные ряды.

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени \( t \) = 0, число атомных ядер \( N_0 \).

Через промежуток времени, равный периоду полураспада \( t=T_{1/2} \), число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{2} \).

Через промежуток времени, равный двум периодам полураспада \( t=2T_{1/2} \), число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{4}=\frac{N_0}{2^2} \).

Через промежуток времени, равный \( n \) периодам полураспада \( t=nT_{1/2} \), число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{2^n} \).

где \( N \) – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени \( t \); \( N_0 \) – начальное число атомных ядер; \( T_{1/2} \) – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Радиоактивность — что это за явление

Понятие «радиоактивность» было введено Марией Склодовской-Кюри. Оно тождественно понятию радиоактивный распад.

В определении присутствует термин изотоп. Прежде чем рассмотреть его, вспомним определение нуклида.

Для обозначения определенного нуклида используют запись вида

X ZA,

где X — символ химического элемента, A — массовое (нуклонное) число, Z — зарядовое (протонное) число.

Количество нейтронов в ядре N=A−Z

Это значит, что в изотопах одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Всего известно более двух тысяч радиоактивных изотопов. Для сравнения, стабильных открыто около 280.

Ученые разделяют нуклиды на стабильные и нестабильные. Нестабильные, также известные как радионуклиды, со временем распадаются. Стабильные же способны существовать в неизменном виде неопределенно долгий промежуток времени.

Суть явления радиоактивности заключается в том, что при распаде ядра нестабильного атома из него с большой скоростью вылетает целое число частиц с высокой энергией. Вещества, которые содержат радиоактивные ядра, называют радиоактивными.

В современной химии выделяют естественную и искусственную радиоактивность.

Примером естественной радиоактивности служит солнечная радиация. В ядре солнца постоянно происходят термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий.

Техногенная радиоактивность применяется людьми. Например, на атомных электростанциях электрическую энергию получают за счет искусственно созданных ядерных реакций.

В результате экспериментов было установлено, что в периодической системе Менделеева радиоактивны все элементы, начиная с висмута. Их порядковый номер больше 82.

Единицы измерения

В химии существует несколько единиц измерения радиоактивности:

беккерель;
кюри;
резерфорд.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения активности радионуклида является беккерель. На русском языке он обозначается как Бк, в международном формате — Bq.

Эту единицу назвали в честь Антуана Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности. Один Беккерель равен одному распаду в секунду.

Бк=с-1

В Международной СИ секунде в минус первой степени равен не только беккерель, но и герц

Важно не путать их: беккерель используют для измерения случайных процессов распада, а герц — для периодических процессов. Их природа различна

Один Беккерель — это маленькая единица измерения, так что на практике принято использовать кратные единицы.

Внесистемная, но широко распространенная единица — кюри. Ее используют для измерения активности радионуклидов. На русском обозначается как Ки, в международных исследованиях — Ci. Названа она в честь Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри.

Точно установлена связь между значениями Ки и Бк:

1 Ки = 3,7⋅1010 Бк

Перевести значения из Бк в Ки сложнее, т.к. соотношение приблизительно:

1 Бк ≈ 2,7027⋅10-11 Ки

Еще одна единица измерения, которой в современности пользуются редко — резерфорд. Его обозначают как Рд или Rd в русском и международном стандартах соответственно. Единица тоже названа в честь ученого — Эрнеста Резерфорда, также изучавшего природу радиоактивности.

Один резерфорд равен 106 распадам в 1 секунду. Точно равенство:

1 Рд = 1⋅106 Бк = 1 МБк

В дозиметрии используют свои единицы облучения:

грэй;
зиверт;
бэр.

Поглощенную дозу в Международной СИ измеряют в единицах грэй (Гр). Один грэй равен энергии излучения в 1 Дж, поглощенной 1 кг вещества.

Эквивалентную дозу, т.е. произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения, в Си измеряют в зивертах. Один зиверт эквивалентен излучению, создающему такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр гамма-излучения или рентгеновского излучения.

1 Зв = 1 Джкг

Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы — бэр. Бэр расшифровывается как «биологический эквивалент рентгена».

За один бэр принято считать такое количество энергии излучения, поглощенного 1 кг вещества, при котором биологическое воздействие соответствует поглощенной дозе в 1 рад гамма-излучения или рентгеновского излучения. То есть:

1 бэр=,01 Зв=100 эргг

Для измерения воздействия радиации используют также понятие мощность дозы. Это доза, полученная объектом за выбранную единицу времени.

Открытие радиоактивных превращений

Рис. 1. Открытие радиоактивности.

Позже оказалось, что радиоактивными являются все элементы с порядковым номером больше 82.

Радиоактивные ряды

Рис. 3. Радиоактивные ряды.

Что мы узнали?

Радиоактивное превращение — это самопроизвольное превращение ядра тяжелого элемента в ядро другого, более легкого элемента. Наиболее частыми являются альфа- и бета- радиоактивность. Поскольку продукт радиоактивного распада нередко сам радиоактивен, можно составить целые цепочки радиоактивных превращений.

/10

Вопрос 1 из 10

Виды радиоактивных превращений

Изучение радиоактивных превращений выявило, что основными видами являются два.

При альфа-распаде номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре. При этом ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия). Альфа-распаду подвержены большинство тяжелых ядер.
При бета-распаде номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число — остается прежним. Бета-распаду подвержены в основном ядра, в которых имеется избыток нейтронов, поскольку при этом нейтроны теряют устойчивость.

При обоих видах распада часто происходит также испускание гамма-квантов — электромагнитного излучения высокой энергии.

Рис. 2. Виды радиоактивного распада.

Виды радиоактивных превращений

Изучение радиоактивных превращений выявило, что основными видами являются два.

При альфа-распаде номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре. При этом ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия). Альфа-распаду подвержены большинство тяжелых ядер.
При бета-распаде номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число — остается прежним. Бета-распаду подвержены в основном ядра, в которых имеется избыток нейтронов, поскольку при этом нейтроны теряют устойчивость.

Рис. 2. Виды радиоактивного распада.

Радиоактивный распад использует

Хотя для человека существует опасная угроза ядерной радиации. Незначительное воздействие радиации может вызвать заболевание, ожоги и тяжелые заболевания, которые могут привести к смерти. Чрезмерное количество может привести к мгновенной смерти.

Но ее можно использовать лучше, если использовать энергию надлежащим образом. Давайте посмотрим на некоторые виды использования радиоактивности.

Лекарственное средство– Кобальт-60 широко используется для захвата раковых клеток. Это большой прорыв в борьбе с раком.
Производство электроэнергии– Уран-235 является широко используемым топливом на атомных электростанциях. Даже небольшое количество урана-235 можно использовать для выработки мегаватт электроэнергии.
Лечение– Йод-131 используется при лечении гипертиреоза. Некоторый радиоактивные изотопы используются в диагностических целях, а также для исследований.
Измерение толщины- Прочность проникновения этих радиоактивных элементов может быть использована для точного измерения толщины пластмасс и металлов в промышленности.
Х-лучи- Рентгеновские лучи и компьютерная томография используют радиоактивные элементы, которые проникают через кожу человека и дают люминесцентное изображение человеческого тела изнутри.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

являются силами притяжения;
являются короткодействующими силами (действуют на малых расстояниях, не превышающих 2·10-15 м; на таком расстоянии ядерные силы больше кулоновских приблизительно в 100 раз);
обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами и между протоном и нейтроном, одинаковы);
имеют свойство насыщения (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра);
не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где \( M \) – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где \( \Delta m \) – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где \( \Delta E_{св} \) – энергия связи, \( c \) – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где \( A \) – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом \( A \) ≈ 100). У тяжелых ядер (\( A \) ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением \( Z \) кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Схемы альфа-, бета-, гамма-распадов

Радиоактивностью называется спонтанное самопроизвольное изменение состава ядер атомов: они превращаются в более простые ядра и испускают элементарную частицу. Продукты радиоактивного распада называются нуклидами, исходное ядро – материнским, получившееся – дочерним. Закон изменения массового числа с зарядом описывает правило смещения Содди.

Вследствие самопроизвольного расщепления атомных ядер выделяются различные частицы: электроны, нейтрино, их антиподы. Различают три основных вида радиоактивных излучений в физике, возникающих вследствие распада элементов: альфа-, бета-, гамма-, схемы и особенности которых рассмотрим далее.

α-распад

Одна из разновидностей нуклонной эмиссии, вследствие которой массовое число ядра снижается на четыре, атомный номер – на два и образуется поток заряженных атомов гелия. Присущ для тяжёлых элементов с атомным номером от 52 с массовым числом от 106. Элементы, начиная из свинца при массовом числе от 200 (за редким исключением), обладают α-радиоактивностью. У части из них α-распад не является основным видом расщепления. Наблюдается он и у лёгких атомов – литий-7, гелий-5, бериллий-6.

Благодаря испытанию туннельного эффекта альфа-частичками, период их полураспада растёт по экспоненциальному закону относительно снижения их энергии. Их скорость колеблется от 9400 км/ч до почти 24000 км/ч. Явление описывается формулой:

ZAX Z-2A-4Y+α(24He).

β-распад

Различают девять разновидностей β-расщепления атомных ядер. Бета-излучением называют процесс распада ядра, вызванный слабым взаимодействием с уменьшением его заряда на единицу при неизменном массовом числе. Ядро при этом испускает позитрон либо электрон (β-частица) и нейтрино или антинейтрино – частицу с полуцелым спином. Основные виды бета-расщепления:

β-минус-распад – изучение электрона и антинейтрино;
β-плюс-распад – излучение нейтрино с позитроном.

Также к бета-расщеплению обносят двойные бета-минус, бета-плюс, электронный распады и прочие.

Пример: 1940K+e- → 1840Ar+v_e.

γ-распад

Явление относят к изомерным переходам. Расщепление ядра, которое происходит с квазиустойчивого состояния, с выделением гамма-кванта или нескольких. Массовое число остаётся неизменным. Чаще всего происходит после α- либо β-расщеплений атомных ядер при условии, что получившееся находится в возбуждённом состоянии.