11 класс
§ 66. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада
Радиоактивные превращения.
Выясним, что происходит с веществом при радиоактивном излучении.
Во-первых, следует отметить 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.
Во-вторых, очень скоро после открытия естественной радиоактивности выяснилось, что опа сопровождается выделением энергии. Этот факт был экспериментально установлен П. Кюри. Он поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нём поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счёт их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. Она выделяется непрерывно на протяжении ряда лет. Откуда же берётся энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения.
Экспериментально было установлено, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Общий вывод, к которому пришли учёные, 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 γ-лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью. 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, стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь α-частиц в электронной оболочке нет, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. При этом заряд ядра определяет порядковый номер элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и все его химические свойства.
Закон радиоактивного распада.
При исследовании радиоактивного распада опытным путём был установлен характер зависимости активности 1 радиоактивных веществ от времени — основной закон радиоактивного распада 2.
1 Активность А радиоактивного вещества — число распадов, происходящих с радиоактивными ядрами вещества в единицу времени.
2 Данный закон был установлен Резерфордом и Фредериком Содди (1877—1956) и опубликован в 1903 г.
Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества существует определённый интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Его называют периодом полураспада.
Период полураспада T — это промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа радиоактивных атомов.
На рисунке 11.9 приведён график зависимости активности А некоторого радиоактивного вещества от времени t. Период полураспада этого вещества равен 5 сут.
Найдём закон, по которому убывает число радиоактивных ядер данного изотопа. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t = 0) равно N0. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно N0 / 2. Спустя ещё один такой же интервал времени это число станет равным
По прошествии времени t = nТ, т. е. спустя n периодов полураспада Т, радиоактивных атомов останется или
или
Данная формула представляет собой математическую запись закона радиоактивного распада.
Период полураспада — основная физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Для разных веществ его значения варьируются в широких пределах. Например, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, для радия T = 1600 лет, поэтому активность радия значительно больше, чем активность урана. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.
Закон радиоактивного распада является статистическим законом. Он справедлив в среднем для большого количества атомов. Для малого же числа атомов говорить об определённом законе радиоактивного распада не имеет смысла. Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно распасться, в то время как его соседи продолжат оставаться в прежнем состоянии.
Изотопы.
В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений выяснилось, что существуют вещества, имеющие различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся разными способами), но тождественные по своим химическим свойствам. На этом основании Содди в 1911 г. высказал предположение о существовании элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся в других отношениях, в частности своей радиоактивностью. Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку таблицы Д. И. Менделеева. Содди назвал их изотопами (от греч. isos — одинаковый, topos — место).
У изотопов заряды атомных ядер, которые определяют число электронов в оболочке и, следовательно, химические свойства атомов, одинаковы. Но массы ядер различны. В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов, но только не все элементы имеют стабильные изотоны. Изотопы имеются у самого тяжёлого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого лёгкого — водорода (относительные массы 1, 2, 3). Изотоп водорода с относительной атомной массой 2 называется дейтерием. Он стабилен и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжёлая вода. Её физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °C и замерзает при 3,8 °C. Изотоп водорода с относительной атомной массой 3 называется тритием. Он β-радиоактивен с периодом полураспада, равным около 12 лет.
Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра и, следовательно, строение электронной оболочки определяют химические свойства атомов и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.
Правила смещения.
Радиоактивные превращения элементов подчиняются так называемым правилам смещения, сформулированным впервые Содди.
При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает приблизительно на четыре единицы относительной атомной массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу таблицы Д. И. Менделеева.
Символически это можно записать следующим образом:
Напомним, что химический элемент обозначается общепринятыми символами: заряд ядра Z записывается в виде индекса слева внизу символа химического элемента, а атомная масса M — в виде индекса слева вверху символа химического элемента. Например, обычный изотоп водорода обозначается символом 1 1 H, дейтерий — символом 2 1 H. Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение 4 2 Hе.
При β-распаде 3 из ядра вылетает электрон.
3 В данном случае рассматривается электронный бета распад (или β -распад).
При β-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остаётся почти неизменной. В результате элемент смещается на одну клетку ближе к концу таблицы Д. И. Менделеева.
Символически правило смещения при электронном р-распаде можно записать в виде
Здесь символ 0 -1 e обозначает электрон: индекс «0» вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с единицей относительной атомной массы.
γ-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется электрический заряд и приближённо сохраняется относительная атомная масса ядер.
Вопросы:
1. Какими свойствами обладают радиоактивные вещества?
2. Какую физическую величину называют периодом полураспада?
3. Запишите закон радиоактивного распада.
4. Почему закон радиоактивного распада имеет статистический характер?
5. Какие химические элементы называют изотопами? Приведите примеры изотопов водорода.
6. Что происходит с ядром радиоактивного элемента:
а) при его α-распаде;
б) при его β-распаде?
Вопросы для обсуждения:
1. Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде?
2. Изменяется ли химическая природа элемента при испускании γ-лучей его ядрами?
Упражнения:
1. Какой элемент образуется в результате α-распада изотопа:
a) 235 92 U
б) 232 90 Th
в) 226 88 Ra?
2. Какой элемент образуется в результате β-распада изотопа:
a) 209 82 Pb
б) 14 6 C
в) 24 11 Na?
3. Во что превращается изотоп таллия 210 81 Tl после трёх β-распадов и одного α-распада?
4. Ядро изотопа 211 83 Bi образовалось из другого ядра после одного α- и одного β-распадов. Определите, что это за ядро.
5. Период полураспада изотопа иода 131 53 I составляет 8 суток. Через какое время число атомов этого изотопа окажется в 100 раз меньше их начального числа?
6. В сосуде имеются 25 ∙ 106 атомов радия. Со сколькими из них произойдёт радиоактивный распад за одни сутки, если период полураспада радия равен 1620 лет?
7. В сосуде объёмом 1 дм3 находится 1 г трития при температуре 27 °C. За 12 лет половина ядер трития превращается в ядра гелия. Найдите давление в сосуде в конце этого срока.
Это любопытно...
Интересные факты
Измерение абсолютного возраста радиоактивных минералов основано на точном определении соотношения количества радиоактивного элемента и продукта его распада. Для этого используются различные методы ядерной геохронологии (радиоизотопные методы). Одним из наиболее популярных методов является уран-свинцовый метод. В нём используются два изотопа урана 23892 U и 23592 U, цепочки распада которых заканчиваются разными изотопами свинца 20682 Pb и 20782 Pb, что позволяет обеспечить высокую надёжность и точность метода. Уран-свинцовый метод применяют для датировки объектов с возрастом порядка сотен миллионов лет.
Иногда в дополнение к этому методу используют распад изотопа тория 23230 Th (уран-торий-свинцовый метод). Чаще всего для определения возраста уран-свинцовым методом применяют кристаллы циркона — минерала, обладающего большой прочностью и устойчивостью к химическим воздействиям. Поскольку свинец — конечный продукт радиоактивного распада урана, то чем больше содержание его атомов в кристалле по отношению к урану, тем старше циркон.
Возраст образца может быть определён и по соотношению концентраций изотопов одного только свинца (без учёта изотопов урана). Такой метод называют свинец-свинцовым. C его помощью, например, в 1953 г. геохимик из Чикагского университета Клэр Кэмерон Паттерсон (1922—1955) сумел вычислить возраст Земли, оценив его в 4,55 млрд лет. Это стало одним из выдающихся научных достижений XX в.
