Радиоактивность

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Альфа-распад

α-распад — испускание ядром альфа-частицы. Что это такое? Все просто — так называют ядро атома гелия, то есть частицу из двух протонов и двух нейтронов.

• У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
• Атом испускает альфа-частицу с массовым числом=4 и зарядовым числом=2
• Мы получаем новый элемент с массовым числом=A-4 и зарядовым числом=Z-2

В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.

Самостоятельно подготовиться к ОГЭ непросто. На то, чтобы разобраться со всеми темами, понадобится много времени. Но и это не решит проблему! Например, если вы запомнили какое-то решение из интернета, а оно оказалось неправильным, можно на пустом месте потерять баллы

Если хотите научиться решать все задания ОГЭ по физике, обратите внимание на онлайн-курсы MAXIMUM! Наши специалисты уже проанализировали сотни вариантов ОГЭ и подготовили для вас вас максимально полезные занятия.Приходите к нам на пробный урок! Вы узнаете всю структуру ОГЭ-2021, разберете сложные задания из первой части, получите полезные рекомендации и узнаете, как устроена подготовка к экзаменам в MAXIMUM. Все это абсолютно бесплатно!

Как была открыта радиоактивность

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он изучал урановые соли, когда впервые столкнулся с необычным явлением. В феврале 1896 года Беккерель подготовил несколько кристаллов урановой соли и закрепил их на фотопластинки, завернутые в бумагу. Но затем он заметил, что погода слишком пасмурная, и решил провести опыт в другое время. По его мнению, для его проведения нужен был более яркий солнечный свет.

Фоточувствительные пластины ученый спрятал в темный ящик стола. Там они пролежали несколько суток. Когда погода прояснилась, Беккерель захотел проявить эти пластинки. Он рассчитывал увидеть на них слабые изображения. Но каким было его удивление, когда он увидел очень четкие изображения. Так ученый обнаружил, что соли урана могут излучать без всякого светового воздействия извне.

Продолжив изучение урановых солей, Беккерелю так и не удалось понять природу необычного излучения. Однажды ученый задал вопрос Пьеру Кюри, которому продемонстрирован опыт с урановой солью: «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль». Далее это явление стали изучать Пьер Кюри и его жена Мария Склодовская-Кюри. Спустя 2 года супругам удалось обнаружить еще два химических элемента, которые обладали похожими свойствами. Ими оказались полоний и радий.

Радий — элемент, который на Земле встречается очень редкою. Чтобы получить 1 грамм чистого радия, нужно переработать не менее 5 тонн урановой руды. Причем радиоактивность этого вещества в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Лишь несколько лет спустя было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Изучая самопроизвольное излучение этих элементов, супруги Кюри дали ему название — радиоактивность.

Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.

Период полураспада — промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер.

К примеру, если в некоторый момент времени вещество состоит из N ядер, то через время T, равное периоду полураспада ядер, останется N/2 ядер. В таком случае, через время, равное 2T останется еще вдвое меньше ядер — N/2. И т.д.

Эту закономерность можно записать в виде формулы, которая получила название закона радиоактивного распада:

N=N·2−tT..

N — число ядер в момент времени t, N— исходное число ядер, T — период полураспада.

Период полураспада зависит от рода вещества. У урана 238.92U он составляет 4,5 млрд лет. У радия — 1,6 тыс. лет. Существуют химические элементы с периодом полураспада, составляющим миллионные доли секунды.

Пример №2. Период полураспада радия составляет 1600 лет. Через какое время число атомов уменьшится в 4 раза?

Для вычислений применим формулу:

N=N·2−tT..

Известно, что:

N=4N

Следовательно:

N=4N·2−tT..

1=4·2−tT..

14..=2−tT..

2−2=2−tT..

−tT..=−2

По условию задачи период полураспада равен 1600. Следовательно:

−t1600..=−2

t=2·1600=3200(лет)

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.

Геология Окло

Габонский реактор состоял из нескольких минерализованных зон, в которых соединения урана заключены в песчанике и конгломератах. Вероятно, уран поступал сюда из расположенных поблизости изверженных месторождений, растворялся в насыщенных кислородом поверхностных водах, после чего откладывался на окислительно-восстановительном фронте. Следовательно, мобилизация реактора могла произойти не раньше, чем в атмосфере Земли не накопилось столько свободного кислорода, сколько требовалось для оксигенации поверхностных вод (около 2 млрд. лет назад). Формация, к которой относятся эти залежи, возникла около 1,74 (+0,20) млрд. лет назад. В тот период относительная распространенность 235U составляла приблизительно  3%.

В этих залежах прослеживается стратификация. Они включены в песчаник, образующий основу франсвильской (осадочной) формации. Структура этих осадочных пород позволяет предположить, что они были нанесены в древней речной дельте. Основу формации составляет обломочный кварц с включениями полевого шпата, которые сцементированы вторичными силикатами, филлитами и органическими веществами (напоминающими асфальт). Урановая минерализация обеспечена в основном оксидами урана (уранинит, урановая смолка). 

Мощность минерализованного слоя варьируется от 5 до 8 метров. В основной части месторождения Окло было найдено 16 подобных зон, а еще одна зона, которая когда-то была активна, обнаружена примерно в 20 километрах (реактор Бангомбе). Считается, что именно в этих зонах происходило формирование нефти, поэтому в ходе реакций с углеводородами не осталось ни грунтовых вод, ни кислорода. Оксид урана очень хорошо растворим в воде, насыщенной кислородом, а в бескислородной воде выпадает в осадок. Именно поэтому вблизи нефтяных месторождений сформировались реакторные зоны.

Поскольку Окло находился вблизи от речной дельты, поверх песчаника, перемешанного с урановыми рудами, стабильно проходил большой объем воды. Песчаник пропитывался водой, но не позволял ей растворять уран. Уран-235 продолжал расщепляться и поддерживать медленную ядерную реакцию, при этом вода выполняла роль замедлителя нейтронов, не позволяя реакции затухнуть.

Искусственная радиоактивность

В 1934 году Иреной и Фредериком Жолио-Кюри было выявлено становления алюминия радиоактивным после облучения α-частицами. Искусственная радиоактивность ядерных преобразований действует в два этапа. Первый характеризуется преобразованием ядра в радиоактивное под действием частиц. Второй – спонтанный радиоактивный распад созданного ранее ядра, происходящий согласно экспоненциальному закону.

Выявили, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов α-частицами, протонами, нейтронами, дейстронами и γ-квантами появляются ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых подчиняется по тому же закону.

За последнее время было получено достаточное количество радиоактивных изотопов. Во время бомбардировки частицами высоких энергий ядер изотопов, находящихся в конце периодической таблицы, создавали искусственные ядра, которые стали основателями радиоактивных семей с малым временем жизни.

Бомбардируя T90232h дейтронами с энергией 690 МэВ, образовывались радиоактивные ядра P91227a. Реакция выглядит следующим образом:

Для изображения распада ядер P91227a используется:

Такие искусственные радиоактивные элементы преимущественно β-активные, притом β- или β+-активные, узнаются по специальной диаграмме зависимости количества нейтронов от количества протонов в ядре для стабильных и радиоактивных ядер, как показано на рисунке. Расположение стабильных ядер присуще узкой зоне, ограниченной кривыми 1 и 2. Изотопы, для которых соотношение NZ>NстZст превышает значение, что отвечает 1, принадлежащей области протонодефицитных ядер I. Прохождение такого распада может протекать с уменьшением NZ, то есть при сокращении количества нейтронов N в ядре. В ядре происходят преобразования вида n→p+e-+v~e. Отсюда следует, что протонодефицитные ядра во время радиоактивного распада характеризуются распадомβ-частиц. И наоборот, ядра, располагаемые в области II, нейтронодефицитных ядер

Процесс создания искусственных радиоактивных ядер также относят к делению тяжелых ядер. При делении ядер U92235могут быть созданы два новых, относящихся к протонодефицитным, именно поэтому аналогичные ядра способны излучать β-частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем после излучения электронов, еще могут излучать γ-кванты. Теперь возможно получать радиоактивные изотопы с высокой активностью. Это открывает возможности для создания компактных источников радиоактивности, широко используемые в науке и технике.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Виды радиоактивного распада

Подробности

Просмотров: 476

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая «уносится» с альфа- бета- и гамма-излучениями.
Все радиоактивные элементы подвержены  радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях   у радиоактивного элемента  наблюдается   альфа- и бета-излучения одновременно.
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.
Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.

Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина «гамма-распад» не существует.
Альфа- и бета-распады – это  естественные радиоактивные превращения.

Альфа — распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна «выйти» из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы — антинейтрино.
Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.
Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом. 

Гамма — распад — не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.
Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.
При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается  потерей массы и энергии  ядра, атома и вещества в целом.
Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения  вещество нагревается.

Следующая страница «Закон радиоактаивного распада»

Назад в раздел

Вспомни тему «Атомная физика» за 9 класс:

Радиоактивность —
Радиоактивные превращения —
Состав атомного ядра. Ядерные силы —
Энергия связи. Дефект масс —
Деление ядер урана —
Ядерная цепная реакция —
Ядерный реактор —
Термоядерная реакция

Измерение ионизирующих излучений

С открытием радия было обнаружено, что излучение радиоактивных веществ влияет на живые организмы и вызывает биологические эффекты, сходные с действием рентгеновского облучения. Появилось такое понятие, как доза ионизирующего излучения – величина, которая позволяет оценивать воздействие радиационного облучения на организмы и вещества. В зависимости от особенностей облучения, выделяют эквивалентную, поглощенную и экспозиционную дозы:

1. Экспозиционная доза – показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица – рентген (Р). Один рентген – большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
2. Поглощенная доза – энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения – грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица – рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
3. Эквивалентная доза – поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК –коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).

В системе СИ используется зиверт – эквивалентная доза конкретного ионизирующего излучения, поглощенная одним килограммом биологической ткани. Для пересчета греев в зиверты следует учесть коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), который равен:

• для альфа-частиц – 10-20;
• для гамма- и бета-излучения – 1;
• для протонов – 5-10;
• для нейтронов со скоростью до 10 кэВ – 3-5;
• для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
• для тяжелых ядер – 20.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) или рем (в английском языке rem – Roentgen Equivalent of Man) – внесистемная единица эквивалентной дозы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, то для получения результата в ремах, необходимо измеренную радиоактивность в радах умножить на коэффициент, равный двадцати. При определении гамма- или бета-излучения перевод величин не требуется, поскольку ремы и рады равны друг другу.

Радиоактивность природных элементов

Экспериментально установлено, что радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов, все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута).

Все более лёгкие элементы, помимо стабильных изотопов, имеют радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада, варьирующимися от долей наносекунды до значений, на много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, теллур-128 имеет самый долгий измеренный период полураспада из всех изученных радионуклидов, ~2,2·1024 лет.

Исключение по нестабильности из элементов легче висмута составляют прометий и технеций, не имеющие долгоживущих относительно длительности геологических эпох изотопов. Наиболее долгоживущий изотоп технеция — технеций-98 — имеет период полураспада около 4,2 млн лет, а самый долгоживущий изотоп прометия — прометий-145 — 17,5 лет. Поэтому изотопы технеция и прометия со времени формирования Земли не сохранились в земной коре и получены искусственно.

Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.

Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет проводить абсолютную датировку минералов, горных пород и метеоритов в геологии.

Альфа-распад

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

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). 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 α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) 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.

Правило смещения Содди для α-распада:

ZAX→Z−2A−4Y+24He.{\displaystyle {}_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow {}_{Z-2}^{A-4}{\textrm {Y}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

92238U→90234Th+24He.{\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}\rightarrow {}_{90}^{234}{\textrm {Th}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}.}

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Почему некоторые стабильные изотопы имеют больше нейтронов, чем протонов

Можно предположить, что стабильная конфигурация для ядра будет иметь столько же протонов, сколько нейтронов. Для многих легких элементов это правда. Например, углерод обычно находится с тремя конфигурациями протонов и нейтронов, называемыми изотопами. Количество протонов не меняется, так как это определяет элемент, но количество нейтронов меняется. Углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов и является стабильным. Углерод-13 также имеет 6 протонов, но имеет 7 нейтронов. Углерод-13 также стабилен. Однако углерод-14 с 6 протонами и 8 нейтронами нестабилен или радиоактивен. Число нейтронов в ядре углерода-14 слишком велико, чтобы сильная сила притяжения удерживала его вместе бесконечно долго.

Но когда вы переходите к атомам, которые содержат больше протонов, изотопы становятся все более стабильными с избытком нейтронов. Это происходит потому, что нуклоны (протоны и нейтроны) не фиксируются на месте в ядре, а движутся вокруг, и протоны отталкивают друг друга, потому что все они несут положительный электрический заряд. Нейтроны этих более крупных ядер защищают протоны от воздействия друг друга.