Какво се случва с материята по време на радиоактивно излъчване? За да отговоря на този въпрос в началото на 20в. не беше много лесно. Още в самото начало на изследванията на радиоактивността бяха открити много странни и необичайни неща.
Първо, удивителната последователност, с която радиоактивните елементи уран, торий и радий излъчват радиация. В течение на дни, месеци и години интензивността на радиацията не се променя забележимо. Той не беше повлиян от обикновени влияния като топлина или повишено налягане.
Химичните реакции, в които влизат радиоактивните вещества, също не оказват влияние върху интензитета на радиацията.
Второ, много скоро след откриването на радиоактивността стана ясно, че радиоактивността е съпроводена с освобождаване на енергия. Пиер Кюри постави ампула радиев хлорид в калориметър. В него се поглъщали α-, β- и γ-лъчи, като благодарение на тяхната енергия калориметърът се нагрявал. Кюри установи, че 1 g радий освобождава 582 J енергия за 1 час. И тази енергия се освобождава непрекъснато в продължение на няколко години.
Откъде идва енергията, чието освобождаване не се влияе от всички известни влияния? Очевидно по време на радиоактивност веществото претърпява някои дълбоки промени, напълно различни от обикновените химични трансформации. Предполагаше се, че самите атоми претърпяват трансформации!
Сега тази мисъл може да не предизвика голяма изненада, тъй като едно дете може да чуе за нея дори преди да се научи да чете. Но в началото на 20в. изглеждаше фантастично и беше необходима голяма смелост, за да се реши да го изрази. По това време току-що бяха получени безспорни доказателства за съществуването на атомите. Вековната идея на Демокрит за атомната структура на материята най-накрая триумфира. И почти веднага след това неизменността на атомите е поставена под въпрос.
Няма да говорим подробно за онези експерименти, които в крайна сметка доведоха до пълна увереност, че по време на радиоактивния разпад възниква верига от последователни трансформации на атоми. Нека се спрем само на първите експерименти, започнати от Ръдърфорд и продължени от него заедно с английския химик Ф. Соди (1877-1956).
Ръдърфорд откри това активността на торий, дефинирана като брой разпадания за единица време, остава непроменена в затворена ампула. Ако препаратът се обдухва дори с много слаби въздушни течения, тогава активността на тория силно намалява. Ръдърфорд предполага, че едновременно с алфа-частиците торият излъчва някакъв вид газ, който също е радиоактивен. Той нарече този газ еманация. Чрез изсмукване на въздух от ампула, съдържаща торий, Ръдърфорд изолира радиоактивния газ и изследва неговата йонизираща способност. Оказа се, че активността на този газ бързо намалява с времето. Всяка минута активността намалява наполовина, а след десет минути практически е равна на нула. Соди изследва химичните свойства на този газ и открива, че той не влиза в никакви реакции, т.е. той е инертен газ. Впоследствие газът е наречен радон и е поставен в периодичната таблица под пореден номер 86. Други радиоактивни елементи също са претърпели трансформации: уран, актиний, радий. Общото заключение, до което стигнаха учените, беше точно формулирано от Ръдърфорд: „Атомите на радиоактивното вещество са обект на спонтанни модификации. Във всеки момент малка част от общия брой атоми става нестабилна и се разпада експлозивно. В преобладаващата част от случаите фрагмент от атом - α-частица - се изхвърля с огромна скорост. В някои други случаи експлозията е придружена от изхвърляне на бърз електрон и появата на лъчи, които, подобно на рентгеновите лъчи, имат висока проникваща способност и се наричат γ-лъчение. Установено е, че в резултат на атомна трансформация се образува съвършено нов вид вещество, напълно различно по своите физични и химични свойства от първоначалното вещество. Това ново вещество обаче само по себе си също е нестабилно и претърпява трансформация с излъчване на характерно радиоактивно излъчване.
По този начин е точно установено, че атомите на някои елементи са обект на спонтанно разпадане, придружено от излъчване на енергия в огромни количества в сравнение с енергията, освободена при обикновените молекулярни модификации.
След откриването на атомното ядро веднага стана ясно, че именно това ядро е претърпяло промени по време на радиоактивни трансформации. В крайна сметка в електронната обвивка изобщо няма ос-частици и намаляването на броя на електроните на обвивката с един превръща атома в йон, а не в нов химичен елемент. Изхвърлянето на електрон от ядрото променя заряда на ядрото (увеличава го) с единица. Зарядът на ядрото определя атомния номер на елемента в периодичната таблица и всички негови химични свойства.
Забележка
Литература
Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовата физика. 11 клас: Учебен. за задълбочено изучаване на физика. - М.: Дропла, 2002. - С. 351-353.
История на откритието
Още през 1903 г. физиците Ръдърфорд и Соди откриват, че по време на радиоактивен алфа-разпад елементът радий се превръща в друг химичен елемент - радон. Тези два химични елемента имат напълно различни свойства. Радият е твърд метал, а радонът е инертен газ. Атомите на радий и радон се различават по маса, брой електрони в електронната обвивка и заряд на ядрото. По-нататъшни изследвания показват, че по време на бета-разпад се случва трансформацията на някои химични елементи в други. През 1911 г. Ръдърфорд предлага ядрения модел на атома. Същността на модела беше следната: атомът се състои от положително заредено ядро и отрицателно заредени електрони, които се движат около ядрото. Логично е да се предположи, че в такъв модел на атом, по време на радиоактивен алфа или бета разпад, промяната се случва в ядрото на атома, тъй като ако се промени само броят на електроните, тогава нов химичен елемент няма да ще се получи, но ще се получи йон от същия химичен елемент.
Формулен образ на разпадането
Алфа разпадането на радия се записва по следния начин:
(226.88)Ra -> (222.86)Rn + (4.2)He.
Снимка
Във формулата по-горе (226.88)Ra означава ядрото на радиевия атом, (222.86)Rn за ядрото на радоновия атом и (4.2)He за алфа частицата или ядрото на хелиевия атом.
Моля, обърнете внимание, че за обозначаване на ядрото на атома се използва същата нотация, както за самия атом. Нека да разгледаме индексите. Числото отгоре се нарича масово число. Масовото число на ядрото на атома показва колко единици атомна маса се съдържат в масата на ядрото на даден атом. Числото, написано по-долу, се нарича номер на таксата. Зарядното число на ядрото на атома показва колко елементарни електрически заряда се съдържат в заряда на ядрото на даден атом. Числата на масата и заряда винаги са цели числа и положителни стойности. Те нямат отделна единица за обозначение, тъй като изразяват колко пъти масата и зарядът на ядрото на даден атом са по-големи от единичните показатели.
Същността на явлението
Нека анализираме уравнението на реакцията, което написахме за алфа разпада на ядрото на радиев атом.
(226.88)Ra -> (222.86)Rn + (4.2)He.
Имаме, че ядрото на радиев атом, когато излъчва алфа частица, губи 4 единици маса и два елементарни заряда и в същото време се превръща в ядро на радонов атом. Вижда се, че законите за запазване на масовото число и заряда са изпълнени. Нека съберем масовите числа и зарядните числа на получените два елемента поотделно:
Както можете да видите, общо те дават същите показатели като ядрото на радиевия атом. От всичко по-горе следва, че ядрото на атома също се състои от някои частици, тоест, с други думи, има сложен състав. И сега можем да изясним определението за радиоактивност. Радиоактивност- способността на ядрата на някои атоми спонтанно да се трансформират в други ядра, като същевременно излъчват частици.
Какво се случва с материята по време на радиоактивно излъчване?
Още в самото начало на изследванията на радиоактивността бяха открити много странни и необичайни неща.
ПървоТова, което беше изненадващо, беше последователността, с която радиоактивните елементи уран, торий и радий излъчваха радиация.
В течение на дни, месеци и дори години интензивността на радиацията не се променя забележимо.
Той не беше повлиян от такива обичайни влияния като топлина и повишено налягане.
Химичните реакции, в които влизат радиоактивните вещества, също не оказват влияние върху интензитета на радиацията.
Второ, много скоро след откриването на радиоактивността става ясно, че радиоактивността е съпроводена с освобождаване на енергия.
Пиер Кюри постави ампула радиев хлорид в калориметър.
В него се поглъщали α-, β- и γ-лъчи, като благодарение на тяхната енергия калориметърът се нагрявал.
Кюри установи, че радият с тегло 1 g излъчва енергия приблизително равна на 582 J за 1 час.
И такава енергия се освобождава непрекъснато в продължение на много години!
Откъде идва енергията, чието освобождаване не се влияе от всички известни влияния?
Очевидно по време на радиоактивност веществото претърпява някои дълбоки промени, напълно различни от обикновените химични трансформации.
Предполагаше се, че самите атоми претърпяват трансформации.
Сега тази мисъл може да не предизвика голяма изненада, тъй като едно дете може да чуе за нея дори преди да се научи да чете.
Но в началото на 20в. изглеждаше фантастично и беше необходима голяма смелост, за да се осмелиш да го изразиш.
По това време току-що бяха получени безспорни доказателства за съществуването на атомите.
Идеята на Демокрит за атомната структура на материята най-накрая триумфира.
И почти веднага след това неизменността на атомите е поставена под въпрос.
И така, по време на радиоактивен разпад възниква верига от последователни трансформации на атоми.
Нека се спрем на първите експерименти, започнати от Ръдърфорд и продължени от него заедно с английския химик Ф. Соди.
Ръдърфорд откри това дейностторий, дефиниран като броя алфа частици, излъчени за единица време, остава непроменен в затворена ампула.
Ако препаратът се обдухва дори с много слаби въздушни течения, тогава активността на тория силно намалява.
Ученият предполага, че едновременно с α-частиците торият излъчва някакъв вид радиоактивен газ.
Чрез изсмукване на въздух от ампула, съдържаща торий, Ръдърфорд изолира радиоактивния газ и изследва неговата йонизираща способност.
Оказа се, че активността на този газ (за разлика от активността на тория, урана и радия) намалява много бързо с времето.
Всяка минута активността намалява наполовина, а след десет минути става почти равна на нула.
Соди изследва химичните свойства на този газ и открива, че той не влиза в никакви реакции, т.е. той е инертен газ.
Впоследствие този газ е наречен радон и е поставен в периодичната таблица на Д. И. Менделеев под пореден номер 86.
Други радиоактивни елементи също претърпяха трансформации: уран, актиний, радий.
Общият извод, който правят учените, е точно формулиран от Ръдърфорд: „Атомите на радиоактивното вещество са обект на спонтанни модификации.
Във всеки момент малка част от общия брой атоми става нестабилна и се разпада експлозивно.
В преобладаващата част от случаите фрагмент от атом - α-частица - се изхвърля с огромна скорост.
В някои други случаи експлозията е придружена от изхвърляне на бърз електрон и появата на лъчи, които, подобно на рентгеновите лъчи, имат голяма проникваща способност и се наричат γ-лъчение.
Установено е, че в резултат на атомна трансформация се образува съвършено нов вид вещество, напълно различно по своите физични и химични свойства от първоначалното вещество.
Това ново вещество обаче само по себе си също е нестабилно и претърпява трансформация с излъчване на характерно радиоактивно излъчване.
По този начин е точно установено, че атомите на някои елементи са обект на спонтанно разпадане, придружено от излъчване на енергия в огромни количества в сравнение с енергията, освободена при обикновените молекулярни модификации.
След откриването на атомното ядро веднага стана ясно, че именно това ядро е претърпяло промени по време на радиоактивни трансформации.
В крайна сметка в електронната обвивка изобщо няма алфа-частици и намаляването на броя на електроните на обвивката с един превръща атома в йон, а не в нов химичен елемент.
Изхвърлянето на електрон от ядрото променя заряда на ядрото (увеличава го) с единица.
И така, радиоактивността е спонтанното превръщане на едни ядра в други, придружено от излъчване на различни частици.
Правило за отместване
Ядрените трансформации се подчиняват на т.нар правило за изместване, формулиран за първи път от Soddy.
По време на α разпадане ядрото губи положителния си заряд 2e и масата му M намалява с приблизително четири атомни единици маса.
В резултат на това елементът се измества с две клетки в началото на периодичната таблица.
Тук елементът се обозначава, както в химията, с общоприети символи: ядреният заряд е написан като индекс в долния ляв ъгъл на символа, а атомната маса е написана като индекс в горния ляв ъгъл на символа.
Например, водородът е представен със символа
За α частица, която е ядрото на хелиев атом, се използва обозначението и т.н.
По време на бета-разпадане от ядрото се излъчва електрон
В резултат на това ядреният заряд се увеличава с единица, но масата остава почти непроменена:
Тук той означава електрон: индексът 0 в горната част означава, че неговата маса е много малка в сравнение с атомната единица маса; едно електронно антинеутрино е неутрална частица с много малка (възможно нулева) маса, която отнася част от енергията по време на β-разпадане.
Образуването на антинеутрино е придружено от β-разпадане на всяко ядро и тази частица често не е посочена в уравненията на съответните реакции.
След разпадането на β елементът се премества с една клетка по-близо до края на периодичната таблица..
Гама-лъчението не е придружено от промяна на заряда; масата на ядрото се променя незначително.
Съгласно правилото за изместване, по време на радиоактивен разпад общият електрически заряд се запазва и относителната атомна маса на ядрата се запазва приблизително.
Новите ядра, образувани по време на радиоактивен разпад, също могат да бъдат радиоактивни и да претърпят допълнителни трансформации.
Така,
По време на радиоактивния разпад атомните ядра се трансформират.
В предишния урок обсъдихме въпроса, свързан с експеримента на Ръдърфорд, в резултат на който вече знаем, че атомът е планетарен модел. Това е, което се нарича планетарен модел на атома. В центъра на ядрото е масивно, положително заредено ядро. И електроните се въртят около ядрото в техните орбити.
Ориз. 1. Планетарният модел на атома на Ръдърфорд
Фредерик Соди участва в експериментите заедно с Ръдърфорд. Соди е химик, така че той извършва работата си точно по отношение на идентифицирането на получените елементи по техните химични свойства. Соди успя да разбере какви са а-частиците, чийто поток пада върху златната плоча в експериментите на Ръдърфорд. Когато бяха направени измервания, се оказа, че масата на една а-частица е 4 атомни единици маса, а зарядът на една а-частица е 2 елементарни заряда. Сравнявайки тези неща, след като са натрупали определен брой а-частици, учените са установили, че тези частици са се превърнали в химичен елемент - газ хелий.
Химическите свойства на хелия бяха известни, благодарение на които Соди твърди, че ядрата, които са а-частици, улавят електрони отвън и се превръщат в неутрални хелиеви атоми.
Впоследствие основните усилия на учените бяха насочени към изследване на ядрото на атома. Стана ясно, че всички процеси, които се случват по време на радиоактивното излъчване, протичат не с електронната обвивка, не с електроните, които обграждат ядрата, а със самите ядра. Именно в ядрата се случват някои трансформации, в резултат на които се образуват нови химични елементи.
Първата такава верига е получена за трансформиране на елемента радий, който е използван в експерименти за радиоактивност, в инертен газ радон с излъчване на a-частица; реакцията в този случай се записва по следния начин:
Първо, а-частицата е 4 атомни единици маса и двоен, удвоен елементарен заряд, а зарядът е положителен. Радият има пореден номер 88, масовото му число е 226, а радонът има пореден номер 86, масово число 222 и се появява a-частица. Това е ядрото на атома на хелий. В този случай пишем просто хелий. Пореден номер 2, масово число 4.
Реакциите, в резултат на които се образуват нови химични елементи и същевременно се образуват нови лъчения и други химични елементи, се наричат ядрени реакции.
Когато стана ясно, че вътре в ядрото протичат радиоактивни процеси, те се насочиха към други елементи, не само към радия. Изучавайки различни химични елементи, учените разбраха, че има не само реакции с излъчване, излъчване на a-частица от ядрото на атом на хелий, но и други ядрени реакции. Например реакции с излъчване на b-частица. Сега знаем, че това са електрони. В този случай също се образува нов химичен елемент, съответно нова частица, това е b-частица, също е електрон. От особен интерес в този случай са всички химични елементи, чийто атомен номер е по-голям от 83.
И така, можем да формулираме т.нар Правилата на Соди или правилата за изместване за радиоактивни трансформации:
. По време на алфа разпадане атомният номер на елемента намалява с 2, а атомното тегло намалява с 4.
Ориз. 2. Алфа разпад
По време на бета-разпад атомното число се увеличава с 1, но атомното тегло не се променя.
Ориз. 3. Бета разпад
Списък на допълнителна литература
- Bronstein M.P. Атоми и електрони. “Библиотека “Квант””. Vol. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9 клас на СОУ. М.: „Просвещение“
- Китайгородски А.И. Физика за всеки. Фотони и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантова физика. 11. клас: учебник за задълбочено изучаване на физика. М.: Дропла
- Ръдърфорд Е. Избрани научни трудове. Радиоактивност. М.: Наука
- Ръдърфорд Е. Избрани научни трудове. Строежът на атома и изкуствената трансформация на елементите. М.: Наука
Това беше един от най-важните етапи в развитието на съвременното физическо познание. Учените не стигнаха веднага до правилните заключения относно структурата на най-малките частици. И много по-късно бяха открити други закони - например законите на движение на микрочастиците, както и особеностите на трансформацията на атомните ядра, които се случват по време на радиоактивен разпад.
Експериментите на Ръдърфорд
Радиоактивните трансформации на атомните ядра са изследвани за първи път от английския изследовател Ръдърфорд. Още тогава беше ясно, че по-голямата част от масата на атома се намира в неговото ядро, тъй като електроните са много стотици пъти по-леки от нуклоните. За да се изследва положителният заряд вътре в ядрото, през 1906 г. Ръдърфорд предлага да се изследва атомът с алфа частици. Такива частици са възникнали по време на разпадането на радия, както и на някои други вещества. По време на своите експерименти Ръдърфорд придобива разбиране за структурата на атома, което получава името „планетарен модел“.
Първи наблюдения на радиоактивността
Още през 1985 г. английският изследовател У. Рамзи, който е известен с откритието си на газ аргон, направи интересно откритие. Той открива газ хелий в минерал, наречен клевеит. Впоследствие големи количества хелий са открити и в други минерали, но само в тези, съдържащи торий и уран.
Това изглеждаше много странно за изследователя: откъде може да дойде газ в минералите? Но когато Ръдърфорд започва да изучава природата на радиоактивността, се оказва, че хелият е продукт на радиоактивен разпад. Някои химични елементи „раждат“ други, с напълно нови свойства. И този факт противоречи на целия предишен опит на химиците от онова време.
Наблюдението на Фредерик Соди
Заедно с Ръдърфорд, ученият Фредерик Соди участва пряко в изследването. Той беше химик и следователно цялата му работа беше извършена във връзка с идентифицирането на химичните елементи според техните свойства. Всъщност радиоактивните трансформации на атомните ядра са забелязани за първи път от Соди. Той успява да разбере какви са алфа частиците, които Ръдърфорд използва в експериментите си. След като направиха измервания, учените установиха, че масата на една алфа частица е 4 атомни единици маса. След като натрупаха определен брой такива алфа-частици, изследователите откриха, че те се превръщат в ново вещество - хелий. Свойствата на този газ са били добре известни на Соди. Затова той твърди, че алфа частиците са способни да улавят електрони отвън и да се превръщат в неутрални хелиеви атоми.
Промени в ядрото на атома
Последвалите изследвания бяха насочени към идентифициране на характеристиките на атомното ядро. Учените разбраха, че всички трансформации се случват не с електроните или електронната обвивка, а директно със самите ядра. Именно радиоактивните трансформации на атомните ядра са допринесли за превръщането на едни вещества в други. По това време особеностите на тези трансформации все още не са били известни на учените. Но едно беше ясно: в резултат по някакъв начин се появиха нови химични елементи.
За първи път учените успяха да проследят такава верига от метаморфози в процеса на превръщане на радия в радон. Реакциите, довели до такива трансформации, придружени от специално излъчване, бяха наречени от изследователите ядрени. След като се увериха, че всички тези процеси протичат точно в ядрото на атома, учените започнаха да изучават и други вещества, не само радий.
Отворени видове радиация
Основната дисциплина, която може да изисква отговори на такива въпроси, е физиката (клас 9). В нейния курс са включени радиоактивни превръщания на атомни ядра. Провеждайки експерименти върху проникващата способност на урановата радиация, Ръдърфорд открива два вида радиация или радиоактивни трансформации. По-малко проникващият тип се нарича алфа радиация. По-късно е изследвано и бета лъчението. Гама радиацията е изследвана за първи път от Пол Вилард през 1900 г. Учените са показали, че явлението радиоактивност е свързано с разпадането на атомните ядра. Така беше нанесен съкрушителен удар на преобладаващите преди това представи за атома като неделима частица.
Радиоактивни трансформации на атомни ядра: основни видове
Сега се смята, че по време на радиоактивен разпад възникват три вида трансформации: алфа разпад, бета разпад и улавяне на електрони, иначе наричано К-улавяне. По време на алфа разпадане алфа частица се излъчва от ядрото, което е ядрото на хелиев атом. Самото радиоактивно ядро се трансформира в такова с по-нисък електрически заряд. Алфа разпадът е характерен за веществата, които заемат последните места в периодичната таблица. Бета-разпадът също е включен в радиоактивните трансформации на атомните ядра. Съставът на атомното ядро с този тип също се променя: той губи неутрино или антинеутрино, както и електрони и позитрони.
Този тип разпад е придружен от късовълново електромагнитно излъчване. При улавянето на електрони ядрото на атома поглъща един от близките електрони. В този случай берилиевото ядро може да се превърне в литиево ядро. Този тип е открит през 1938 г. от американски физик на име Алварес, който също е изучавал радиоактивните трансформации на атомните ядра. Снимките, на които изследователите се опитаха да уловят подобни процеси, съдържат изображения, подобни на размазан облак поради малкия размер на изследваните частици.
