Типы радиоактивных превращений. Превращение атомных ядер законы радиоактивного распада Что такое радиоактивные превращения атомных ядер

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления.

Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. И эта энергия выделяется непрерывно на протяжении ряда лет.

Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита многовековой давности об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди (1877-1956).

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число распадов в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле . Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Резерфорд предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то газ, который также является радиоактивным. Этот газ он назвал эманацией . Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически оказывается равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-из лучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь ос-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

Примечание

Литература

Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 351-353.

История открытия

Уже в 1903 г. Физиками Резерфордом и Содди было обнаружено, что при радиоактивном альфа-распаде элемент радий превращается в другой химический элемент – радон. Эти два химических элемента имеют совершенно разные свойства. Радий твердое вещество, металл, а радон – инертный газ. Атомы радия и радона отличаются массой, числом электронов в электронной оболочке, зарядом ядра. Дальнейшие исследования показали, что при бета-распаде происходит превращение одних химических элементов в другие. В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома. Суть модели заключалась в следующем: атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые двигаются вокруг ядра. Логично было предположить, что в такой модели атома при радиоактивном альфа- или бета-распаде именно в ядре атома происходит изменение, так как если бы изменялось только количество электронов, то не получался бы новый химический элемент, а получался бы ион того же самого химического элемента.

Формульное изображение распада

Альфа-распад радия записывается следующим образом:

(226,88)Ra -> (222,86)Rn + (4,2)He.

Картинка

В формуле выше, (226,88)Ra обозначает ядро атома радия, (222,86)Rn – ядро атома радона и (4,2)He – альфа-частица, или ядро атома гелия.

Обратите внимание, что для обозначения ядра атома используется тоже обозначение, что и для самого атома. Разберемся с индексами. Число, которое стоит сверху, называется массовое число. Массовое число ядра атома показывает, сколько атомных единиц массы содержится в массе ядра данного атома. Число, которое записывается снизу, называется зарядовым числом. Зарядовое число ядра атома показывает, сколько элементарных электрических зарядов содержится в заряде ядра данного атома. Массовое и зарядовое число всегда целые и положительные величины. Они не имеют отдельной единицы обозначения, так как выражают, во сколько раз масса и заряд ядра данного атома больше единичных показателей.

Суть явления

Разберем уравнение реакции, которое мы записали для альфа-распада ядра атома радия.

(226,88)Ra -> (222,86)Rn + (4,2)He.

Имеем, что ядро атома радия при излучении альфа частицы потеряло 4 единицы массы и два элементарных заряда и при этом превратилось в ядро атома радона. Можно проследить, что выполняются законы сохранения массового числа и заряда. Сложим по отдельности массовые числа и зарядовые числа получившихся двух элементов:

Как видите, в сумме они дают те же показатели, что были у ядра атома радия. Из всего вышесказанного следует, что ядро атома тоже состоит из каких-то частиц, то есть другими словами имеет сложный состав. И мы теперь можем уточнить определение радиоактивности. Радиоактивность – способность ядер некоторых атомов самопроизвольно превращаться в другие ядра, при этом испуская частицы.

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых , удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения.
На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась.
На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления.
Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых , очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии.
Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр.
В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался.
Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж.
И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия?
По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений.
Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать.
Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее.
В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов.
Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала.
И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Итак, при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.
Остановимся на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле.
Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается.
Ученый предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.

Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность.
Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.
Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом.
Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.

Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.
Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям.
В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается.
В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица.
В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-излучением.

Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества.
Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.
Ведь α-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.
Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.

Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц .

Правило смещения

Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения , сформулированному впервые Содди.

При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса М убывает примерно на четыре атомные единицы массы.
В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа.
Например, водород обозначается символом
Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.
При β-распаде из ядра вылетает электрон
В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при β-распаде часть энергии.
Образованием антинейтрино сопровождается β-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.

После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. .

Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.

Итак,
при радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.

На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.

Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда

Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.

Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.

В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.

Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:

Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.

Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .

Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.

Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:

. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.

Рис. 2. Альфа-распад

При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.

Рис. 3. Бета-распад

Список дополнительной литературы

Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука

Явилось одним из самых важных этапов в развитии современного физического знания. Ученые пришли к правильным выводам относительно структуры мельчайших частиц не сразу. И еще намного позднее были открыты другие закономерности - например, законы движения микрочастиц, а также особенности превращения атомных ядер, которые происходят при радиоактивном распаде.

Опыты Резерфорда

Впервые радиоактивные превращения атомных ядер изучались английским исследователем Резерфордом. Уже тогда было понятно, что основная масса атома приходится на его ядро, так как электроны во много сотен раз легче, чем нуклоны. Для того чтобы исследовать положительный заряд внутри ядра, в 1906 году Резерфорд предложил исследовать атом при помощи зондирования альфа-частицами. Такие частицы возникали при распаде радия, а также некоторых других веществ. В ходе своих опытов Резерфорд получил представление о строении атома, которому было дано название «планетарной модели».

Первые наблюдения радиоактивности

Еще в 1985 году английский исследователь У. Рамзай, который известен своим открытием газа аргона, сделал интересное открытие. В минерале под названием клевеит он обнаружил газ гелий. Впоследствии большое количество гелия было найдено также и в других минералах, но лишь в тех, в состав которых входят торий и уран.

Исследователю это казалось очень странным: откуда мог взяться в минералах газ? Но когда Резерфорд начал изучать природу радиоактивности, то оказалось, что гелий представляет собой продукт радиоактивного распада. Одни химические элементы «порождают» другие, с совершенно новыми свойствами. И этот факт противоречил всему предыдущему опыту химиков того времени.

Наблюдение Фредерика Содди

Вместе с Резерфордом в исследованиях принимал непосредственное участие ученый Фредерик Содди. Он был химиком, и потому вся его работа проводилась в отношении отождествления химических элементов согласно их свойствам. На самом деле радиоактивные превращения атомных ядер впервые были замечены Содди. Он сумел выяснить, что представляют собой альфа-частицы, которыми пользовался в своих опытах Резерфорд. Произведя измерения, ученые выяснили, что масса одной альфа-частицы составляет 4 атомных единицы массы. Накопив определенное количество таких альфа-частиц, исследователи обнаружили, что они превратились в новое вещество - гелий. Свойства этого газа были хорошо известны Содди. Поэтому он утверждал, что альфа-частицы сумели захватить электроны извне и превратиться в нейтральные атомы гелия.

Изменения внутри ядра атома

Последующие исследования были направлены на выявление особенностей атомного ядра. Ученые поняли, что все преобразования происходят не с электронами или электронной оболочкой, а непосредственно с самими ядрами. Именно радиоактивные превращения атомных ядер способствовали преобразованию одних веществ в другие. Тогда еще особенности этих превращений ученым были неизвестны. Но понятно было одно: в их результате каким-то образом появляются новые химические элементы.

Впервые такую цепочку метаморфоз ученым удалось проследить в процессе превращения радия в радон. Реакции, в результате которых происходили такие превращения, сопровождавшиеся особым излучением, исследователи назвали ядерными. Убедившись, что все эти процессы протекают именно внутри ядра атома, ученые начали исследовать и другие вещества, не только радий.

Открытые виды излучений

Основная дисциплина, которая может потребовать ответов на подобные вопросы - это физика (9 класс). Радиоактивные превращения атомных ядер входят в ее курс. Проводя опыты над проникающей способностью уранового излучения, Резерфорд открыл два вида излучений, или радиоактивных превращений. Менее проникающий тип был назван альфа-излучением. Позднее было исследовано и бета-излучение. Гамма-излучение впервые было изучено Полем Виллардом в 1900 году. Ученые показали, что явление радиоактивности связано с распадом атомных ядер. Таким образом, по господствующим до тех времен представлениям об атоме как о неделимой частице был нанесен сокрушительный удар.

Радиоактивные превращения атомных ядер: основные типы

Сейчас считается, что во время радиоактивного распада происходит три вида превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, иначе называемый К-захватом. При альфа-распаде происходит испускание из ядра альфа-частицы, которая является ядром атома гелия. Само радиоактивное ядро при этом превращается в такое, которое обладает меньшим электрическим зарядом. Альфа-распад свойственен веществам, занимающим последние места в таблице Менделеева. Бета-распад также входит в радиоактивные превращения атомных ядер. Состав атомного ядра при этом типе также меняется: оно теряет нейтрино или антинейтрино, а также электроны и позитроны.

Этот тип распада сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением. При электронном захвате ядро атома поглощает один из ближайших электронов. При этом ядро бериллия может превратиться в ядро лития. Этот тип был обнаружен в 1938 году физиком из Америки по фамилии Альварес, который также изучал радиоактивные превращения атомных ядер. Фото, на которых исследователи пытались запечатлеть такие процессы, содержат изображения, похожие на размытое облако, в силу малых величин исследуемых частиц.