РАДІОАКТИВНІСТЬ. ЗАКОН РАДІОАКТИВНОГО РОЗПАДУ
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
Розділ 5 Атомна і ядерна фізика
§ 49. РАДІОАКТИВНІСТЬ. ЗАКОН РАДІОАКТИВНОГО РОЗПАДУ
Ви вже знаєте, що радіоактивність – це явище, яке свідчить про складну будову атомного ядра. Рентгенівські промені, про що вже говорили в § 47, вперше були одержані внаслідок зіткнення швидких електронів з антикатодом розрядної трубки. А. Беккерель довго досліджував споріднене явище – післясвічення речовин, які перед тим були опромінені сонячним світлом. До таких речовин, зокрема, належать солі урану, з якими він експериментував.
А
А. Беккерель загорнув фотопластинку в цупкий чорний папір, зверху поклав шматочки уранової солі і виставив це на яскраве сонячне світло. Під час проявлення пластинка почорніла на тих місцях, де лежала сіль. Отже, уран випускає промені, які, подібно до рентгенівських, пронизують непрозорі тіла і діють на фотопластинку. Вчений вважав, що таке випромінювання виникає під впливом сонячного світла. Однак, в лютому 1896 р. Беккерелюне вдалося зробити черговий дослід і він поклав пластинку, на якій лежав мідний хрест,
Незабаром Беккерель виявив, що промені уранової солі йонізують повітря так само, як і рентгенівські, і тому розряджають електроскоп. Випробовуючи різні хімічні сполуки урану, він установив дуже важливий факт: інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті і зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Отже, це властивість не сполук, а хімічного елемента урану, його атомів.
У 1898 р. у Франції Марія Склодовська-Кюрі та інші вчені виявили випромінювання торію. Особливо плідною у пошуках нових елементів виявилася праця подружжя Марії і П’єра Кюрі. Систематичне дослідження руд, що містять уран і торій, дало їм можливість виділити новий, ще невідомий хімічний елемент полоній, названий так на честь батьківщини Марії Склодовської-Кюрі – Польщі.
Нарешті, було відкрито ще один елемент, якому властиве дуже інтенсивне випромінювання. Його назвали радієм (тобто променистим). Саме ж явище спонтанного випромінювання подружжя Кюрі назвало радіоактивністю.
Після відкриття радіоактивних елементів почалося дослідження фізичної природи їхнього проміння. Крім Беккереля й подружжя Кюрі, над цим питанням почав працювати Резерфорд.
Класичний дослід, який допоміг виявити склад радіоактивного випромінювання, полягав у такому. Радіоактивний препарат вміщували на дно вузького каналу в шматку свинцю. Проти каналу розташовували фотопластинку. На проміння, яке виходило з каналу, діяли сильним магнітним полем (мал. 207), перпендикулярним до нього. Всю установку розміщали у вакуумі.
Якщо не було магнітного поля, то на проявленій пластинці було виявлено одну тільки темну пляму, точно проти каналу. У магнітному ж полі
Мал. 207
Пучок розпадався на три пучки. Дві складові первинного потоку відхилялись у протилежні боки. Це переконливо вказувало на те, що вони мають електричні заряди протилежних знаків. При цьому негативну складову проміння магнітне поле відхиляло значно більше, ніж позитивну. Третю складову магнітне поле не відхиляло. Позитивно заряджена складова випромінювання отримала назву альфа-випромінювання, негативно заряджена – бета-випромінювання, а нейтральна – гамма-випромінювання (а-промені, (β-промені, γ-промені).
Ці три види випромінювання дуже різняться між собою за проникною здатністю, тобто за тим, наскільки інтенсивно їх поглинають різні речовини. Найменшу проникну здатність мають а-промені. Шар паперу товщиною близько 0,1 мм для них вже непрозорі. Якщо отвір у свинцевій пластинці прикрити аркушиком паперу, то на фотопластинці не буде плями, що відповідає а-променям.
Значно менше поглинаються речовиною β-промені. Алюмінієва пластинка затримує їх цілком лише тоді, коли її товщина досягає кількох міліметрів. Найбільшу проникну здатність мають у-промені. Інтенсивність їх поглинання збільшується зі зростанням атомного номера речовини-поглинача. Але й шар свинцю товщиною сантиметр – не перешкода для цих променів. Від проходження крізь таку пластинку їхня інтенсивність зменшується лише в два рази. Це пов’язано з тим, що фізична природа а-, (- і γ-променів різна.
А. Ейнштейн і Ф. Содді встановили, що атомам деяких елементів властивий спонтанний розпад, який супроводжується випромінюванням величезної кількості енергії порівняно з енергією, яка вивільняється в процесі звичайних молекулярних видозмін.
Після того як було відкрито атомне ядро, відразу стало зрозуміло, що саме воно зазнає змін під час радіоактивних перетворень. Адже а-частинок взагалі немає в електронній оболонці, а зменшення кількості електронів оболонки на одиницю перетворює атом в йон, а не на новий хімічний елемент. Виліт ж електрона з ядра змінює заряд ядра (збільшує його) на одиницю. Спонтанне перетворення одних ядер в інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок, отримало назву радіоактивність.
Перетворення ядер відбуваються за так званим правилом зміщення, яке вперше сформулював Содді: під час а-розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е і маса його зменшується приблизно на чотири одиниці атомної маси. Отже, елемент зміщується на дві клітинки до початку Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва.
Символічно це можна записати так:
У випадку β-розпаду з ядра вилітає електрон. Тому заряд ядра збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною:
Мал. 208
Після β-розпаду елемент зміщується на одну клітинку ближче до кінця Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва. Під час γ-випромінювання не відбувається зміни заряду; маса ж ядра змінюється надзвичайно мало.
Правила зміщення показують, що під час радіоактивного розпаду зберігається електричний заряд і наближено зберігається відносна атомна маса ядер.
Нові ядра, що утворюються під час радіоактивного розпаду, звичайно, також є радіоактивними.
Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, Резерфорд експериментально встановив, що їх активність з часом зменшується. Так, активність радону зменшується в два рази вже через 1 хв. Активність таких елементів, як Уран, Торій і Радій, також з часом зменшується, але значно повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується у два рази. Цей інтервал називається періодом піврозпаду.
Період піврозпаду Т – це той час, за який розпадається половина всієї кількості наявних радіоактивних атомів.
Адже зменшення активності препарату в два рази можна досягти простим поділом його на дві рівні частини.
Графік спаду активності, тобто кількості розпадів за секунду, залежно від часу для однієї з активних речовин наведено на мал. 208, період піврозпаду цієї речовини – 5 діб.
Знайдемо тепер математичну формулу закону радіоактивного розпаду. Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу (t – 0) дорівнює N0. Тоді по закінченні періоду піврозпаду їх кількість дорівнюватиме N0/2, а ще через один такий інтервал часу їх кількість становитиме:
Через інтервал часу t = nТ, тобто через n періодів піврозпаду Т, радіоактивних атомів залишиться
Оскільки 
то 
Це і є основний закон радіоактивного розпаду.
За формулою
Знаходять кількість атомів, які ще не розпались, для будь-якого моменту часу.
Період піврозпаду – основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Чим менший період піврозпаду, тим менший час життя атомів, тим швидше відбувається розпад. Для різних речовин значення його дуже розрізняються. Так, для урану 239/92U Т ~ 4,5 млрд років. Саме через це активність урану за кілька років помітно не змінюється. Для радію Т = 1600 років. Тому активність радію значно більша, ніж урану. Чим менший період піврозпаду, тим інтенсивніше відбувається розпад. Є радіоактивні елементи, в яких період піврозпаду становить мільйонні частки секунди.
Закон радіоактивного розпаду – це статистичний закон. Він справджується в середньому для великої кількості частинок.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...