§ 23. Радіоактивність. Радіоактивні випромінювання

У XXI ст. навряд чи знайдеться доросла людина, яка хоча б раз у житті не зробила рентгенівський знімок. А от наприкінці XIX ст. зображення руки людини з видимою структурою кісток (рис. 23.1) обійшло шпальти газет усього світу, а для фізиків стало справжньою сенсацією. Учені розпочали дослідження рентгенівських променів і пошук їхніх джерел. Одним із таких учених був французький фізик А. Беккерель (рис. 23.2). Якими несподіваними висновками закінчилося його дослідження, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

Рис. 23.1. Перший рентгенівський знімок руки людини

Рис. 23.2. Анрі Антуан Беккерель (1852-1908) — французький фізик, у 1896 р. відкрив радіоактивне випромінювання солей Урану

1. Дізнаємося про історію відкриття радіоактивності

Із відкриття рентгенівських променів почалася історія відкриття радіоактивності, й допоміг у цьому випадок.

Поштовхом до досліджень стало припущення вчених, що рентгенівські промені можуть виникати під час короткотривалого світіння деяких речовин, опромінених перед тим сонячним світлом*. До таких речовин належать, наприклад, деякі солі Урану. Такою сіллю і скористався А. Беккерель, щоб перевірити зазначене припущення.

Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, учений узяв загорнуту в чорний папір фотопластинку**, поклав на неї крупинки уранової солі й на кілька годин виніс фотопластинку на яскраве сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці виявилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Таким чином було з’ясовано, що уранова сіль дійсно випускає випромінювання, яке має велику проникну здатність і діє на фотопластинку.

* Таке світіння називають флюоресценцією.

** Фотопластинка — скляна пластинка, вкрита чутливою до випромінювання речовиною.

Альберт Ейнштейн порівнював відкриття радіоактивності з відкриттям вогню, оскільки вважав, що вогонь і радіоактивність — однаково значущі віхи в історії людства.

Беккерель вирішив продовжити дослідження й підготував дослід, який дещо відрізнявся від попереднього. Проте вченому завадила похмура погода, і він із жалем поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через кілька днів, так і не дочекавшись появи сонця, учений вирішив про всяк випадок проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло тут ні до чого, і сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, випускає невидиме випромінювання, якому не є перешкодою навіть шар міді!

Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням (від латин. radio — випромінюю, activus — дієвий); здатність речовин до радіоактивного випромінювання — радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, — радіонуклідами.

2. Дізнаємося про радіонукліди

«Чи тільки Уран випускає “промені Беккереля”?» — саме з пошуку відповіді на це запитання почала свою роботу з вивчання радіоактивності М. Склодовська-Кюрі (рис. 23.3). Ретельно перевіривши на радіоактивність практично всі відомі на той час елементи, вона виявила, що радіоактивні властивості має також Торій. Крім того, М. Склодовська-Кюрі та її чоловік П. Кюрі (рис. 23.4) відкрили й нові радіоактивні елементи, зокрема Полоній і Радій.

Рис. 23.3. Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) — французький фізик і хімік (походила з Польщі), лауреат двох Нобелівських премій. Такої честі за всю історію були удостоєні тільки троє дослідників

Рис. 23.4. П’єр Кюрі (1859-1906) — французький фізик, лауреат Нобелівської премії

• Поміркуйте, що підштовхнуло подружжя Кюрі назвати елементи саме так.

Згодом виявили, що радіоактивність є властивою всім без винятку нуклідам хімічних елементів, порядковий номер яких більший за 82 (Z > 82). Проте й всі інші елементи мають радіоактивні нукліди (природні або одержані штучно).

3. Вивчаємо склад радіоактивного випромінювання

Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що радіоактивні речовини можуть випромінювати промені трьох видів: позитивно заряджені частинки (α (альфа)-випромінювання), негативно заряджені частинки (β (бета)-випромінювання) і нейтральні промені (γ (гамма)- випромінювання). На рис. 23.5 зображено схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями.

Рис. 23.5. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання

• Згадайте, напрямок руху яких частинок прийнято за напрямок електричного струму, та, скориставшись рис. 23.5 і правилом лівої руки, переконайтеся, що α-частинки мають позитивний заряд.

Найбільший внесок у вивчення α-випромінювання зробив Е. Резерфорд. Учений одним із перших з’ясував, що α-випромінювання — це потік ядер атомів Гелію ( 4 ₂He), які рухаються зі швидкістю порядку 10 7 м/с. Заряд α-частинки дорівнює двом елементарним зарядам: q_α = +2|е| ≈ +3,2 • 10 -19 Кл.

β-випромінювання, як і α-випромінювання, відхиляється магнітним полем, але в протилежний бік. Виявлено, що β-випромінювання — це потік електронів ( 0 _-1е), які летять із величезною швидкістю (наближеною до швидкості поширення світла).

• Сподіваємося, що вам не складно буде записати заряд і масу β-частинки.

Вивчення γ-випромінювання показало, що це електромагнітні хвилі надзвичайно високої частоти (понад 10 18 Гц). Швидкість поширення цих хвиль у вакуумі становить 3 • 10 8 м/с.

4. Захищаємося від радіоактивного випромінювання

У більшості людей слово «радіація» асоціюється з небезпекою. І це, безумовно, правильно. Радіоактивне випромінювання не фіксується органами чуття людини, проте відомо, що воно може призвести до згубних наслідків. Від впливу радіації можна захиститися, побудувавши на шляху випромінювання перешкоду.

Види радіоактивного випромінювання

α-частинки — ядра атомів Гелію

β-частинки — швидкі електрони

γ-промені — високочастотне (короткохвильове) електромагнітне випромінювання

Простіше за все захиститися від α- і β-випромінювань. Хоча α- і β-частинки летять із величезною швидкістю, їх потік легко зупиняє навіть тонка перешкода. Як показали експерименти, достатньо тонкого аркуша паперу (0,1 мм), щоб зупинити α-частинки; β-випромінювання повністю поглинається, наприклад, алюмінієвою пластинкою завтовшки 1 мм (рис. 23.6).

Рис. 23.6. Захист від радіоактивного випромінювання

Найважче захиститися від γ-випромінювання — воно проникає крізь доволі товсті шари матеріалів. В окремих випадках для захисту від γ-випромінювання необхідні бетонні стіни завтовшки кілька метрів.

5. Даємо означення радіоактивності

Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень ядер атомів. Причому ці перетворення відбуваються довільно (без жодних причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску й температури, дія магнітного та електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо.

Радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.

Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. З’ясовано, що радіоактивні перетворення підпорядковуються так званим правилам зміщення.

1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший від порядкового номера вихідного елемента (рис. 23.7):

Рис. 23.7. Під час α-розпаду материнське ядро спонтанно розпадається на дві частини: α-частинку і дочірнє (нове) ядро

2. Під час β-розпаду кількість нуклонів в ядрі не змінюється, при цьому кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 23.8):

Рис. 23.8. Під час β-розпаду один із нейтронів материнського ядра перетворюється на протон і електрон; електрон випромінюється, а протон залишається в ядрі (утворюється нове ядро)

• Відомо, що Радон ( 222 ₈₆Rn) є α-радіоактивним. Ядро якого елемента утвориться в результаті α-розпаду Радону?

*6. Дізнаємося про радіоактивні ряди

Виходить, що після пояснення радіоактивності мрія алхіміків Середньовіччя про перетворення речовин на золото здійснилася? Насправді — ні. Учені з’ясували, що вихідне (материнське) ядро атома радіоактивного елемента X може зазнавати цілої низки перетворень: ядро атома елемента X перетворюється на ядро атома елемента Y, потім на ядро атома елемента Z і т. д., однак у цьому ланцюжку не може бути випадкових «гостей».

Сукупність усіх ізотопів, які виникають у результаті послідовних радіоактивних перетворень даного материнського ядра, називають радіоактивним рядом. Один із ланцюжків таких перетворень подано на рис. 23.9. Виявлено, що існують чотири радіоактивні ряди, які об’єднують усі відомі в природі радіоактивні елементи: ряд Торію (починається з Торію-232), ряд Урану-Радію (починається з Урану-238); ряд Урану-Актинію (починається з Урану-235); ряд Нептунію (починається з Нептунію-237).

Рис. 23.9. Радіоактивний ряд Торію. Ряд починається з Торію-232, який зустрічається в природі, і закінчується Плюмбумом-208, який є стабільним (не радіоактивним)

Підбиваємо підсумки

Радіоактивне випромінювання відкрив французський фізик А. Беккерель.

Більшість існуючих у природі та штучно отриманих нуклідів є радіоактивними: їхні ядра довільно розпадаються, випромінюючи мікрочастинки та перетворюючись на інші ядра.

Види радіоактивного випромінювання

Чому відбувається радіоактивний розпад?

Радіоактивний розпад — це спонтанний процес, під час якого нестабільне атомне ядро ​​розпадається на більш дрібні, стабільніші фрагменти. Ви коли-небудь замислювалися, чому одні ядра розпадаються, а інші ні?

В основному це питання термодинаміки. Кожен атом прагне бути якомога стабільнішим. У разі радіоактивного розпаду нестабільність виникає, коли існує дисбаланс у кількості протонів і нейтронів в атомному ядрі. По суті, всередині ядра занадто багато енергії, щоб утримувати всі нуклони разом. Статус електронів атома не має значення для розпаду, хоча вони також мають власний спосіб знайти стабільність. Якщо ядро ​​атома нестабільне, зрештою воно розпадеться, щоб втратити принаймні частину частинок, які роблять його нестабільним. Вихідне ядро ​​називається батьківським, а отримане ядро ​​або ядра називаються дочірніми. Доньки все ще можуть бути радіоактивними , зрештою розбиваючись на більше частин, або вони можуть бути стабільними.

Три типи радіоактивного розпаду

Існує три форми радіоактивного розпаду: яка з них зазнає атомне ядро, залежить від природи внутрішньої нестабільності. Деякі ізотопи можуть розпадатися більш ніж одним шляхом.

Альфа-розпад

Під час альфа-розпаду ядро ​​викидає альфа-частинку, яка, по суті, є ядром гелію (два протони та два нейтрони), зменшуючи атомний номер батьківського елемента на два, а масове число — на чотири.

Бета-розпад

Під час бета-розпаду потік електронів, які називаються бета-частинками, вилітає з батьківської частинки, а нейтрон у ядрі перетворюється на протон. Масове число нового ядра те саме, але атомний номер збільшується на одиницю.

Гамма-розпад

При гамма-розпаді атомне ядро ​​вивільняє надлишкову енергію у вигляді фотонів високої енергії (електромагнітне випромінювання). Атомний номер і масове число залишаються незмінними, але отримане ядро ​​приймає більш стабільний енергетичний стан.

Радіоактивний проти стабільного

Радіоактивний ізотоп — ізотоп , який піддається радіоактивному розпаду. Термін «стабільний» є більш неоднозначним, оскільки він стосується елементів, які не розпадаються, з практичних цілей, протягом тривалого періоду часу. Це означає, що стабільні ізотопи включають ті, які ніколи не розпадаються, як-от протій (складається з одного протона, тому втрачати нічого), і радіоактивні ізотопи, як-от телур-128, період напіврозпаду якого становить 7,7 x 10 24 роки. Радіоізотопи з коротким періодом напіврозпаду називають нестабільними радіоізотопами.

Деякі стабільні ізотопи мають більше нейтронів, ніж протонів

Ви можете припустити, що ядро ​​в стабільній конфігурації матиме таку ж кількість протонів, як і нейтронів. Для багатьох легших елементів це вірно. Наприклад, вуглець зазвичай містить три конфігурації протонів і нейтронів, які називаються ізотопами. Кількість протонів не змінюється, оскільки це визначає елемент, але змінюється кількість нейтронів: вуглець-12 має шість протонів і шість нейтронів і є стабільним; вуглець-13 також має шість протонів, але він має сім нейтронів; вуглець-13 також стабільний. Однак вуглець-14 із шістьма протонами та вісьмома нейтронами є нестабільним або радіоактивним. Кількість нейтронів для ядра вуглецю-14 занадто велика, щоб сильна сила тяжіння могла утримувати його разом нескінченно довго.

Але, коли ви переходите до атомів, які містять більше протонів, ізотопи стають більш стабільними з надлишком нейтронів. Це пояснюється тим, що нуклони (протони та нейтрони) не закріплені на місці в ядрі, а рухаються, і протони відштовхуються один від одного, оскільки всі вони несуть позитивний електричний заряд. Нейтрони цього більшого ядра діють, щоб ізолювати протони від впливу один одного.

Співвідношення N:Z і магічні числа

Є також так звані магічні числа, які є числами нуклонів (або протонів, або нейтронів), які є особливо стабільними. Якщо кількість протонів і нейтронів має ці значення, ситуація називається подвійними магічними числами. Ви можете розглядати це як ядро, еквівалентне правилу октету, що керує стабільністю електронної оболонки. Магічні числа дещо відрізняються для протонів і нейтронів:

Щоб ще більше ускладнити стабільність, існує більше стабільних ізотопів із значеннями Z:N від парного до парного (162 ізотопи), ніж від парного до непарного (53 ізотопи), ніж від непарного до парного (50), ніж від непарного до непарного. (4).

Випадковість і радіоактивний розпад

Останнє зауваження: те, чи розпадається будь-яке ядро ​​чи ні, є абсолютно випадковою подією. Період напіврозпаду ізотопу є найкращим прогнозом для достатньо великої вибірки елементів. Його не можна використовувати, щоб зробити будь-який прогноз щодо поведінки одного ядра або кількох ядер.

Радіоактивність

La радіоактивність Це властивість, якою володіють певні матеріали, спонтанно випромінюючи енергію в навколишнє середовище. Зазвичай він проявляється у вигляді субатомних частинок у вигляді електромагнітного випромінювання. Залежно від того, де ви знаходитесь в електромагнітному полі, це може бути випромінювання високої або низької частоти. Це явище, яке зумовлене нестабільністю ядерної енергії в атомних ядрах.

У цій статті ми розповімо вам усі характеристики, типи та важливість радіоактивності.

ключові особливості

Нестійке ядро, яке належить до радіоактивного елемента, зазнає розпаду. Під час цих розпадів відбувається випромінювання радіоактивності, поки вона не досягне своєї енергетичної стабільності. Радіоактивні викиди мають високий вміст енергії, що надає високу іонізуючу силу, здатну впливати на речовини, які є реакцією на них.

Існує кілька видів радіоактивності залежно від її надходження та характеристик. З одного боку, ми маємо природну радіоактивність, яка виявляється без втручання людини. З іншого боку, штучна радіоактивність – це така, що виробляється втручанням людини. Перший зазвичай це виявляється природним чином у радіоізотопах. Другий – це штучні радіоізотопи та надмасивні елементи. Багато природних радіоізотопів нешкідливі і тому можуть бути використані в галузі медицини. Наприклад, ми маємо вуглець 14 і калій 40. Ці радіоізотопи корисні для датування об’єктів та шарів ґрунту.

Хоча радіоактивність має багато застосувань для людей, вона також має шкідливі наслідки, які можуть призвести до смерті. Якщо доза опромінення, яку отримує людина, висока, шанси розвитку небажаних мутацій або раку непропорційно збільшуються.

Природна та штучна радіоактивність

Природне випромінювання складається з набору елементів, які мають нестабільні в природі ядра. Оскільки енергетично ядра абсолютно нестійкі, вони спонтанно розпадаються і уникають радіоактивності. Він представлений елементами земної кори, атмосферою та тими, що надходять з космосу. Найпоширенішими є такі: уран-238, уран-235, вуглець-14, уран-235 та радон-222.

З іншого боку, ми маємо штучну радіоактивність. Він складається з групи радіоактивних елементів, які створюються в дослідницьких лабораторіях людиною. Буде здійснено бомбардування нерадіоактивних елементів, які мають ядра, такі як атом гелію, щоб перетворити їх у радіоактивні ізотопи. Радіоактивні елементи, що знаходяться в надрах земної кори і які були виведені на поверхню в результаті господарської діяльності, таких як є видобуток корисних копалин і видобуток нафти. Вони вважаються штучними, оскільки, природно, вони не могли знаходитись на земній поверхні.

Більшість техногенних радіоактивних речовин зумовлені надмасивними та синтетичними елементами. Ядра цих елементів, як правило, швидко розкладаються, щоб мати змогу породжувати інші елементи.

Види радіоактивності

Після того, як ми розділили, які існують різні типи залежно від походження, ми побачимо, які типи радіоактивності існують на основі їх характеристик.

Альфа-випромінювання

Це частинка, яка виділяє нестійке ядро. Вони складаються з двох протонів і двох нейтронів. Тому альфа-випромінювання вважається повністю оголеним атомом льоду, не маючи електронів. Завдяки наявності в ядрі атома двох протонів, альфа-частинка наділена позитивним зарядом. Альфа-випромінювання, якщо ви бачили і переконувались, що воно дуже мало проникає і легко зупиняється аркушем паперу. Зазвичай він має невелику дальність в повітрі. Деякі приклади атомів, що випромінюють альфа-випромінювання, – це уран-238 та радій-226.

Бета-випромінювання

Цей тип випромінювання є іонізуючим і має діапазон в повітрі приблизно один метр. Його може зупинити лист алюмінієвої фольги. Під час фази радіоактивного розпаду з позитрона випромінюється електрон. Обидва вони мають ядерне походження. Ось чому існує два підтипи бета-випромінювання: бета + і бета -. Перший обумовлений випромінюванням електрона ядерного походження з позитивним зарядом, а другий – випромінюванням електрона ядерного походження та нейтрона, який перетворюється на протон.

Гамма-випромінювання

Це випромінювання електромагнітного характеру. Це потужна і прониклива хвиля, яку зупиняє лише те, що є свинцем. Ця проникаюча здатність дозволяє використовувати його у вигляді кобальту-60 для лікування раку в глибоких місцях тіла.

Випромінювання нейтронів

Це тип неіонізуючої радіоактивності, який зупиняється, зокрема, водою. Важливість цього випромінювання полягає в тому, що воно здатне перетворювати елементи, які не є радіоактивними, в інші, які є.

додатків

Ми побачимо, яке застосування має радіоактивність у людській галузі.

Лікарська

Радіоактивні ізотопи використовуються в медицині з лікувально-діагностичною метою. Багато з них служать індикаторами для діагностики певного захворювання, оскільки вони мають ті ж характеристики, що й атоми нерадіоактивних елементів. Наприклад, йод-131 використовується в медицині для визначення серцевого викиду та об’єму плазми. Однак найважливішим застосуванням цього радіоактивного елемента є можливість вимірювати активність щитовидної залози. Це пов’язано з тим, що гормони, що транспортують йод, знаходяться в щитовидній залозі.

Наукова та наукова діяльність

Радіоактивні матеріали використовуються для визначення компонентів нафти і диму. У різних археологічних дослідженнях активність вуглецю-14 використовується для визначення віку певних скам’янілостей. Завдяки цьому ізотопу, який природним чином зустрічається в атмосфері, ми можемо датувати і знати історію нашої планети. І чи є це цей ізотоп включений лише живими істотами.

Промисловість

Застосовується для стерилізації медичних матеріалів, продуктів харчування та контейнерів, що їх містять. Він також може використовуватися для обробки тканин, посуду з антипригарним покриттям, радіоактивних індикаторів для моторних масел, виведення токсичних газів, таких як діоксид сірки та оксиди азоту тощо.

Я сподіваюся, що за допомогою цієї інформації ви зможете дізнатись більше про радіоактивність та її характеристики.

Повний шлях до статті: Мережева метеорологія » Метеорологія » Ciencia » Радіоактивність

Будьте першим, щоб коментувати