Закон радиоактивного распада

Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма - излучения.

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов. Естественная радиоактивность, как правило, наблюдается у тяжелых ядер элементов, располагающихся в периодической системе Менделеева за свинцом и сопровождается испусканием - и -частиц, антинейтрино, а такжё электромагнитного излучения (-излучение).

Состав радиоактивных -, - и - излучений установлен по их отклонению в магнитном поле, направленном перпендикулярно плоскости рис. 2. На этом рисунке 1 - толстостенный сосуд из свинца, 2 - радиоактивный источник. Известно, что -час-тицы представляет собой поток ядер гелия Не, -частицы - поток быстрых электро-нов с энергией, достигшей 10 МэВ, и скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Жесткое электромагнитное -излучение обладает наибольшей из всех радиоактивных излучений проникающей способностью. Частота -излучения более 3∙10¹⁹ Гц. рис.2

Свойства радиоактивных излучений:

1) Все радиоактивные излучения обладают химическими действиями (вызывают почернение фотопластинок).

2) Радиоактивные излучения вызывают ионизацию газов.

3) Радиоактивные излучения вызывают люминесценцию ряда твердых и жидких тел.

Радиоактивные превращения не зависят от внешних условий, а также не зависят от того, происходят ли эти превращения в веществе, находящемся в виде химически чистого элемента или химического соединения. Отсюда следует, что радиоактивные превращения являются свойством атомных. ядер.

Распадающееся ядро называется материнским, ядро продукта распада - дочерним.

Правила смещения ядер при радиоактивных распадах:

при - распаде

при - распаде

где Х - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру; Y - то же для дочернего ядра.

Альфа-распад уменьшает массовое число ядра на 4, а заряд ядра на 2 элементарных положительных заряда, т. е. смещает химический элемент на две клетки влево в периодической системе Менделеева. При бета-распаде массовое число не изменяется, а заряд ядра увеличивается на единицу. Химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева. Правила смещения являются следствиями законов сохранения электрического заряда и числа нуклонов в ядерных превращениях.

Опытным путем установлено, что активность (число распадов в единицу вре-мени) радиоактивных веществ убывает с течением времени. Так, активность радона убывает в два раза уже через 1 мин. Активность таких элементов, как уран, торий и радий, убывает со временем гораздо медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в два раза. Этот интервал называется периодом полураспада. рис.3

Период полураспада Т_½ - это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

Периоды полураспадов различных радиоактивных изотопов изменяются в очень широких пределах: у урана 4,5 млрд. лет, у радия 1590 лет, у радона 3,825 суток, у одного из изотопов полония 1,5∙10^-4 с.Спад активности, т. е. числа распадов в секунду, в зависимости от времени для одного из радиоактивных препаратов изображен на рис. 3. Период полураспада этого вещества равен 5 сут.

Число нераспавшихся ядер в любой момент времени можно найти по закону радиоактивного распада.

3акон радиоактивного распада можно записать в виде

где N₀ - первоначальное число радиоактивных ядер, - постоянная распада для данного вида ядер, характеризует долю ядер, распадающихся за единицу времени.

Связь между периодом полураспада Т и постоянной распада λ выражается формулой

В основе всех методов регистрации радиоактивных излучений лежит их ионизирующее и фотохимическое действие.

Газоразрядныйй счетчик Гейгера — один из важнейших приборов для автоматического счета частиц.

Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металличе

ской нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном (рис. 4). Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, α -частица и т. д.), пролетая в газе, вырывает из атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистриру-ющее устройство.

В настоящее время созданы счетчики, работающие на иных принципах, чем счетчик

Гейгера. рис.4

Для регистрации α- и β-частиц используют камеру Вильсона (рис. 5) — цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Камера содержит насыщающие пары воды или спирта. При быстром выдвигании поршня воздух в камере охлаждается, пар становится перена-сыщенным. Впускаемые в камеру через тонкое окошко частицы на своем пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелек сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц — «треки».

Пузырьковая камера содержит перегретую жидкость (эфир, жидкий водород, жидкий гелий и др.). При резком рис.5

уменьшении давления происходит закипание жидкости, пузырьки пара, прежде всего возникают в местах, где жидкость подверглась ионизации, т. е. где имеются заряженные частицы. Путь заряженной частицы (трек) обозначается цепочкой пузырьков жидкости, которая и фотографируется.

Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллы, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливает металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10^-3см для α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить.

Преимущество фотоэмульсий состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

Нейтральные частицы, не оказывающие непосредственного ионизирующего действия, обнаруживаются по вторичным эффектам — по следам заряженных частиц, образующихся либо при распаде нейтральных частиц на заряженные, либо при их столкновении с частицами атомов фотоэмульсии.

Дата добавления: 2014-01-04