Способность атомов некоторых химических элементов. Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов. III. Закрепление изученного

Предположение о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, было высказано древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом примерно 2500 лет назад. Частицы эти были названы атомами, что означает «неделимые». Атом - это мельчайшая, простейшая, не имеющая составных частей и поэтому неделимая частица.

Но примерно с середины XIX в. стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы.

Наиболее ярким свидетельством сложного строения атома явилось открытие явления радиоактивности, сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896 г.

Анри Беккерель (1852-1908)
Французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности

Беккерель обнаружил, что химический элемент уран самопроизвольно (т. е. без внешних воздействий) излучает ранее неизвестные невидимые лучи, которые позже были названы радиоактивным излучением.

Поскольку радиоактивное излучение обладало необычными свойствами, многие учёные занялись его исследованием. Оказалось, что не только уран, но и некоторые другие химические элементы (например, радий) тоже самопроизвольно испускают радиоактивные лучи. Способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению стали называть радиоактивностью (от лат. radio - излучаю и activus - действенный).

Эрнест Резерфорд (1871-1935)
Английский физик. Обнаружил сложный состав радиоактивного излучения радия, предложил ядерную модель строения атома. Открыл протон

В 1899 г. в результате опыта, проведённого под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда, было обнаружено, что радиоактивное излучение радия неоднородно, т. е. имеет сложный состав. Рассмотрим, как проводился этот опыт.

На рисунке 156, а изображён толстостенный свинцовый сосуд с крупицей радия на дне. Пучок радиоактивного излучения радия выходит сквозь узкое отверстие и попадает на фотопластинку (излучение радия происходит во все стороны, но сквозь толстый слой свинца оно пройти не может). После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно тёмное пятно - как раз в том месте, куда попадал пучок.

Рис. 156. Схема опыта Резерфорда по определению состава радиоактивного излучения

Потом опыт изменяли (рис. 156, б): создавали сильное магнитное поле, действовавшее на пучок. В этом случае на проявленной пластинке возникало три пятна: одно, центральное, было на том же месте, что и раньше, а два других - по разные стороны от центрального. Если два потока отклонились в магнитном поле от прежнего направления, значит, они представляют собой потоки заряженных частиц. Отклонение в разные стороны свидетельствовало о разных знаках электрических зарядов частиц. В одном потоке присутствовали только положительно заряженные частицы, в другом - отрицательно заряженные. А центральный поток представлял собой излучение, не имеющее электрического заряда.

Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами, отрицательно заряженные - бета-частицами, а нейтральные - гамма-частицами или гамма-квантами.

Джозеф Джон Томсон(1856-1940)
Английский физик. Открыл электрон. Предложил одну из первых моделей строения атома

Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что β-частица представляет собой электрон, а α-частица - полностью ионизированный атом химического элемента гелия (т. е. атом гелия, потерявший оба электрона). Выяснилось также, что γ-излучение представляет собой один из видов, точнее диапазонов, электромагнитного излучения (см. рис. 136).

Явление радиоактивности, т. е. самопроизвольное излучение веществом α-, β- и α-частиц, наряду с другими экспериментальными фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав. Поскольку было известно, что атом в целом нейтрален, это явление позволило сделать предположение, что в состав атома входят отрицательно и положительно заряженные частицы.

Опираясь на эти и некоторые другие факты, английский физик Джозеф Джон Томсон предложил в 1903 г. одну из первых моделей строения атома. По предположению Томсона, атом представляет собой шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому электрический заряд атома в целом равен нулю.

Модель строения атома, предложенная Томсоном, нуждалась в экспериментальной проверке. В частности, важно было проверить, действительно ли положительный заряд распределён по всему объёму атома с постоянной плотностью. Поэтому в 1911 г. Резерфорд совместно со своими сотрудниками провёл ряд опытов по исследованию состава и строения атомов.

Чтобы понять, как проводились эти опыты, рассмотрим рисунок 157. В опытах использовался свинцовый сосуд С с радиоактивным веществом Р, излучающим α-частицы. Из этого сосуда α-частицы вылетают через узкий канал со скоростью порядка 15 000 км/с.

Рис. 157. Схема установки опыта Резерфорда по исследованию строения атома

Поскольку α-частицы непосредственно увидеть невозможно, то для их обнаружения служит стеклянный экран Э. Экран покрыт тонким слоем специального вещества, благодаря чему в местах попадания в экран α-частиц возникают вспышки, которые наблюдаются с помощью микроскопа М. Такой метод регистрации частиц называется методом, сцинтилляций (т. е. вспышек).

Вся эта установка помещается в сосуд, из которого откачан воздух (чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха).

Если на пути α-частиц нет никаких препятствий, то они падают на экран узким, слегка расширяющимся пучком (рис. 157, а). При этом все возникающие на экране вспышки сливаются в одно небольшое световое пятно.

Если же на пути α-частиц поместить тонкую фольгу Ф из исследуемого металла (рис. 157, б), то при взаимодействии с веществом α-частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы φ (на рисунке изображены только три угла: φ1, φ2 и φ3).

Когда экран находится в положении 1, наибольшее количество вспышек расположено в центре экрана. Значит, основная часть всех α-частиц прошла сквозь фольгу, почти не изменив первоначального направления (рассеялась на малые углы). При удалении от центра экрана количество вспышек становится меньше. Следовательно, с увеличением угла рассеяния φ количество рассеянных на эти углы частиц резко уменьшается.

Перемещая экран вместе с микроскопом вокруг фольги, можно обнаружить, что некоторое (очень небольшое) число частиц рассеялось на углы, близкие к 90° (это положение экрана обозначено цифрой 2), а некоторые единичные частицы - на углы порядка 180°, т. е. в результате взаимодействия с фольгой были отброшены назад (положение 3).

Именно эти случаи рассеяния α-частиц на большие углы дали Резерфорду наиболее важную информацию для понимания того, как устроены атомы веществ. Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришёл к выводу, что столь сильное отклонение α-частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле. Такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объёме (по сравнению с объёмом атома).

Один из примеров схематичного изображения ядерной модели атома, предложенной Э. Резерфордом

Рис. 158. Траектории полёта α-частиц при прохождении сквозь атомы вещества

Поскольку масса электрона примерно в 8000 раз меньше массы α-частицы, электроны, входящие в состав атома, не могли существенным образом изменить направление движения α-частиц. Поэтому в данном случае речь может идти только о силах электрического отталкивания между α-частицами и положительно заряженной частью атома, масса которой значительно больше массы α-частицы.

Эти соображения привели Резерфорда к созданию ядерной (планетарной) модели атома (о которой вы уже имеете представление из курса физики 8 класса). Напомним, что, согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объём атома. Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра. Атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов.

Резерфорд сумел оценить размеры атомных ядер. Оказалось, что в зависимости от массы атома его ядро имеет диаметр порядка 10 -14 - 10 -15 м, т. е. оно в десятки и даже сотни тысяч раз меньше атома (атом имеет диаметр около 10 -10 м).

Рисунок 158 иллюстрирует процесс прохождения α-частиц сквозь атомы вещества с точки зрения ядерной модели. На этом рисунке показано, как меняется траектория полёта α-частиц в зависимости от того, на каком расстоянии от ядра они пролетают. Напряжённость создаваемого ядром электрического поля, а значит, и сила действия на α-частицу довольно быстро убывают с увеличением расстояния от ядра. Поэтому направление полёта частицы сильно меняется только в том случае, если она проходит очень близко к ядру.

Поскольку диаметр ядра значительно меньше диаметра атома, то большая часть из числа всех α-частиц проходит сквозь атом на таких расстояниях от ядра, где сила отталкивания создаваемого им поля слишком мала, чтобы существенно изменить направление движения α-частиц. И только очень немногие частицы пролетают рядом с ядром, т. е. в области сильного поля, и отклоняются на большие углы. Именно такие результаты и были получены в опыте Резерфорда.

Таким образом, в результате опытов по рассеянию α-частиц была доказана несостоятельность модели атома Томсона, выдвинута ядерная модель строения атома и проведена оценка диаметров атомных ядер.

Вопросы

В чём заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?
Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке 156. Что выяснилось в результате этого опыта?
О чём свидетельствовало явление радиоактивности?
Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?
Используя рисунок 157, расскажите, как проводился опыт по рассеянию α-частиц.
Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того, что некоторые α-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?
Что представляет собой атом согласно ядерной модели, выдвинутой Резерфордом?

Радиоактивность - это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Впервые такое излучение, испускаемое ураном, обнаружил Беккерель, поэтому вначале радиоактивные излучения называли лучами Беккереля. Основной вид радиоактивного распада - выбрасывание из ядра атома альфа-частицы - альфа-распад (см. Альфа-излучение) или бета-частицы - бета-распад (см. Бета-излучение).

При радиоактивном распаде исходный превращается в атом другого элемента. В результате выбрасывания из ядра атома альфа-частицы, представляющей собой совокупность двух протонов и двух нейтронов, массовое число образующегося атома (см.) уменьшается на четыре единицы, и он оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на две клетки влево, так как порядковый номер элемента в таблице равен числу протонов в ядре атома. При выбрасывании бета-частицы (электрон) происходит превращение в ядре одного нейтрона в протон, вследствие чего образующийся атом оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на одну клетку вправо. Масса его при этом почти не изменяется. Выбрасывание бета-частицы сопряжено обычно с (см.).

Распад любого радиоактивного изотопа происходит по следующему закону: число распадающихся в единицу времени атомов (n) пропорционально числу атомов (N), имеющихся в наличии в данный момент времени, т. е. n=λN; коэффициент λ, называется постоянной радиоактивного распада и связан с периодом полураспада изотопа (Т) соотношением λ= 0,693/T. Указанный закон распада приводит к тому, что за каждый отрезок времени, равный периоду полураспада Т, количество изотопа уменьшается вдвое. Если образующиеся в результате радиоактивного распада атомы оказываются тоже радиоактивными, то происходит их постепенное накопление, пока не установится радиоактивное равновесие между материнским и дочерним изотопами; при этом число атомов дочернего изотопа, образующихся в единицу времени, равно числу атомов, распадающихся за то же время.

Известно свыше 40 естественных радиоактивных изотопов. Большая часть их расположена в трех радиоактивных рядах (семействах): урана-радия, и актиния. Все указанные радиоактивные изотопы широко распространены в природе. Присутствие их в горных породах, водах, атмосфере, растительных и живых организмах обусловливает естественную или природную радиоактивность.

Кроме естественных радиоактивных изотопов, сейчас известно около тысячи искусственно радиоактивных. Получают их путем ядерных реакций, в основном в ядерных реакторах (см. ). Многие естественные и искусственно радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечения (см. Лучевая терапия) и особенно для диагностики заболеваний (см. ). См. также Излучения ионизирующие.

Радиоактивность (от лат. radius - луч и activus - действенный) - способность неустойчивых ядер атомов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые или стабильные ядра. Такие превращения ядер называются радиоактивными, а сами ядра или соответствующие атомы - радиоактивными ядрами (атомами). При радиоактивных превращениях ядра испускают энергию либо в виде заряженных частиц, либо в виде гамма-квантов электромагнитного излучения или гамма-излучения.

Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы (см.), образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А. Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана (см.), способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G. С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория (см.). Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония (см.). В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий (см.).

После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа- (см. Альфа-излучение), бета- (см. Бета-излучение) и гамма-лучами (см. Гамма-излучение). Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи- из отрицательно заряженных частиц малой массы - электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.

В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.

В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С. A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W. J. Russell).

Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д. И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).

Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные - изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).

После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.

Первое искусственное превращение ядер - ядерная реакция (см.) - было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны (см. Космическое излучение) и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада - позитронный распад, или β + -распад.

Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) с сотр., бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц (см. Ускорители заряженных частиц) и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.

В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения - электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения - самопроизвольное деление тяжелых ядер.

В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.

1. Альфа-распад . Ядро с атомным номером Z и массовым числом А испускает альфа-частицу - ядро гелия Не4- и превращается в другое ядро с Z меньшим на 2 единицы и А меньшим на 4 единицы, чем у исходного ядра. В общем виде альфа-распад записывается следующим образом:

Где X - исходное ядро, Y-ядро продукта распада.

2. Бета-распад бывает двух типов: электронный и позитронный, или β - - и β + -распад (см. Бета-излучение). При электронном распаде из ядра вылетают электрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z на единицу большим, нем у исходного ядра:

При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом, но с Z на единицу меньшим, чем у исходного ядра:

При бета-распаде в среднем 2/3 энергии ядра уносится частицами нейтрино (нейтральными частицами очень малой массы, очень слабо взаимодействующими с веществом).

3. Электронный захват (прежнее название К-захват). Ядро захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с К-оболочки, испускает нейтрино и превращается в новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z меньше на 1, чем у исходного ядра.

Превращение ядер при электронном захвате и позитронном распаде одинаковое, поэтому эти два вида распада наблюдаются одновременно для одних и тех же ядер, т. е. являются конкурирующими. Так как после захвата электрона с внутренней оболочки атома на его место переходит электрон с одной из более удаленных от ядра орбит, то электронный захват сопровождается всегда испусканием рентгеновского характеристического излучения.

4. Изомерный переход . После испускания альфа- или бета-частицы некоторые типы ядер находятся в возбужденном состоянии (состоянии с избыточной энергией) и испускают энергию возбуждения в виде гамма-квантов (см.Гамма-излучение). В этом случае при радиоактивном распаде ядро, кроме альфа- или бета-частиц, испускает также гамма-кванты. Так, ядра изотопа Sr90 испускают только β-частицы, ядра Na24 испускают, кроме β-частиц, также гамма-кванты. Большинство ядер находится в возбужденном состоянии очень малые промежутки времени, не поддающиеся измерению (менее 10 -9 сек.). Однако лишь относительно небольшое число ядер может находиться в возбужденном состоянии сравнительно большие промежутки времени - до нескольких месяцев. Такие ядра называются изомерами, а соответствующие переходы их из возбужденного состояния в нормальное, сопровождающиеся испусканием только гамма-квантов,- изомерными. При изомерных переходах А и Z ядра не изменяются. Радиоактивные ядра, испускающие только альфа- или бета-частицы, называются чистыми альфа- или бета-излучателями. Ядра, у которых альфа- или бета-распад сопровождается испусканием гамма-квантов, называются гамма-излучателями. Чистыми гамма-излучателями являются только ядра, находящиеся длительное время в возбужденном состоянии, т. е. претерпевающие изомерные переходы.

5. Самопроизвольное деление ядер . В результате деления из одного ядра образуется два более легких ядра - осколки деления. Так как одинаковые ядра могут делиться различным образом на два ядра, то в процессе деления образуется много различных пар более легких ядер с различными Z и А. При делении освобождаются нейтроны, в среднем 2-3 нейтрона на один акт деления ядра, и гамма-кванты. Все образующиеся при делении осколки являются неустойчивыми и претерпевают β - -распад. Вероятность деления является очень малой для урана, но возрастает с увеличением Z. Этим объясняется отсутствие на Земле более тяжелых, чем уран, ядер. В стабильных ядрах существует определенное соотношение между числом протонов и нейтронов, при котором ядро обладает наибольшей устойчивостью, т.е. наибольшей энергией связи частиц в ядре. Для легких и средних ядер наибольшей их устойчивости соответствует примерно равное содержание протонов и нейтронов. Для более тяжелых ядер наблюдается относительное увеличение числа нейтронов в устойчивых ядрах. При избытке в ядре протонов или нейтронов ядра со средним значением А являются неустойчивыми и претерпевают β - - или β + -распады, при которых происходит взаимное превращение нейтрона и протона. При избытке нейтронов (тяжелые изотопы) происходит превращение одного из нейтронов в протон с испусканием электрона и нейтрино:

При избытке протонов (легкие изотопы) происходит превращение одного из протонов в нейтрон с испусканием либо позитрона и нейтрино (β + -распад), либо только нейтрино (электронный захват):

Все тяжелые ядра с атомным номером больше, чему Pb82, являются неустойчивыми вследствие значительного количества протонов, отталкивающих друг друга. Цепочки последовательных альфа- и бета-распадов в этих ядрах происходят до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра изотопов свинца. С улучшением экспериментальной техники у все большего количества ядер, считавшихся ранее стабильными, обнаруживают очень медленный радиоактивный распад. В настоящее время известно 20 радиоактивных изотопов с Z меньше 82.

В результате любых радиоактивных превращений количество атомов данного изотопа непрерывно уменьшается. Закон убывания с течением времени количества активных атомов (закон радиоактивного распада) является общим для всех видов превращений и всех изотопов. Он носит статистический характер (применим только для большого количества радиоактивных атомов) и заключается в следующем. Количество активных атомов данного изотопа, распадающихся за единицу времени ΔN/Δt, пропорционально количеству активных атомов N, т. е. за единицу времени распадается всегда одна и та же доля к активных атомов данного изотопа независимо от их количества. Величина к называется постоянной радиоактивного распада и представляет собой долю активных атомов, распадающихся за единицу времени, или относительную скорость распада. к измеряется в единицах, обратных единицам измерения времени, т. е. в сек.-1 (1/сек.), сутки-1, год-1 и т. п., для каждого радиоактивного изотопа имеет свое определенное значение, которое изменяется в очень широких пределах для различных изотопов. Величина, характеризующая абсолютную скорость распада, называется активностью данного изотопа или препарата. Активность 1 г вещества называется удельной активностью вещества.

Из закона радиоактивного распада следует, что убывание количества активных атомов N сначала происходит быстро, а затем все медленнее. Время, в течение которого количество активных атомов или активность данного изотопа уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (Т) данного изотопа. Закон убывания N от времени t является экспоненциальным и имеет следующее аналитическое выражение: N=N0e-λt, где N0 - число активных атомов в момент начала отсчета времени (г=0), N - количество активных атомов спустя время t, е - основание натуральных логарифмов (число, равное 2,718...). Между постоянной распада к и периодом полураспада λ существует следующее соотношение: λТ-0,693. Отсюда

Периоды полураспада измеряются в сек., мин. и т. п. и для различных изотопов изменяются в очень широких пределах от малых долей секунды до 10+21 лет. Изотопы, обладающие большими λ и малыми Т, называются короткоживущими, изотопы с малыми λ и большими Т называются долгоживущими. Если активное вещество состоит из нескольких радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада, генетически не связанных между собой, то с течением времени активность вещества также будет непрерывно уменьшаться и изотопный состав препарата будет все время изменяться: будет уменьшаться доля короткоживущих изотопов и возрастать доля долгоживущих изотопов. Через достаточно большой промежуток времени практически в препарате останется только самый долгоживущий изотоп. По кривым распада радиоактивных веществ, состоящих из одного или смеси изотопов, можно определить периоды полураспада отдельных изотопов и их относительные активности для любого момента времени.

Законы изменения активности генетически связанных изотопов качественно другие; они зависят от соотношения периодов их полураспада. Для двух генетически связанных изотопов с периодом Т1 для исходного изотопа и Т2 - продукта распада эти законы имеют наиболее простую форму. При T1>T2 активность исходного изотопа Q1 все время убывает по экспоненциальному закону с периодом полураспада Т1. Благодаря распаду ядер исходного изотопа будут образовываться ядра конечного изотопа и его активность Q2 будет возрастать. Спустя определенное время скорость распада ядер второго изотопа (станет близкой к скорости образования ядер этого изотопа из исходного (скорость распада исходного изотопа Q1) и эти скорости будут находиться в определенном и постоянном соотношении все дальнейшее время - наступает радиоактивное равновесие.

Активность исходного изотопа непрерывно убывает с периодом Т1, поэтому после достижения радиоактивного равновесия активность конечного изотопа Q2 и суммарная активность двух изотопов Q1+Q2 будут также убывать с периодом полураспада исходного изотопа Т1. При Т1>Т2 Q2=Q1. Если из исходного долгоживущего изотопа образуется последовательно несколько короткоживущих изотопов, как это имеет место в радиоактивном ряду урана и радия, то после достижения равновесия активности каждого короткоживущего изотопа становятся практически равными активности исходного изотопа. При этом общая активность равна сумме активностей всех короткоживущих продуктов распада и убывает с периодом: полураспада исходного долгоживущего изотопа, как и активность всех изотопов, находящихся в равновесии.

Радиоактивное равновесие достигается практически за время, равное 5-10 периодам полураспада того изотопа из продуктов распада, который имеет наибольший период полураспада. Если T1

К числу естественно радиоактивных изотопов относится около 40 изотопов периодической системы элементов с Z больше 82, которые образуют три последовательных ряда радиоактивных превращений: ряд урана (рис. 1), ряд тория (рис. 2) и ряд актиния (рис. 3). Путем последовательных альфа- и бета-распадов из исходных изотопов ряда получаются конечные устойчивые изотопы свинца.

Рис. 1. Ряд урана.

Рис. 2. Ряд тория.

Рис. 3. Ряд актиния.

Стрелками на рисунках указаны последовательные радиоактивные превращения с указанием типа распада и процента атомов, претерпевающих распад данного типа. Горизонтальными стрелками обозначены превращения, совершающиеся почти в 100% случаев, а наклонными - в незначительной части случаев. При обозначении изотопов указаны периоды их полураспада. В скобках даны прежние названия членов ряда, указывающие генетическую связь, без скобок - принятые в настоящее время обозначения изотопов, соответствующие их химической и физической природе. В рамки заключены долгоживущие изотопы, а в двойные рамки - конечные стабильные изотопы. Альфа-распад обычно сопровождается очень малоинтенсивным гамма-излучением, часть бета-излучателей испускает интенсивное гамма-излучение. Естественный фон обусловлен природной радиоактивностью-излучением и воздействием естественно радиоактивных изотопов, содержащихся на поверхности Земли, в биосфере и воздухе, и космическим излучением (см.). Кроме указанных изотопов, в различных веществах содержатся также изотоп К40 и около 20 других радиоактивных изотопов с очень большими периодами полураспада (от 109 до 1021 лет), вследствие чего их относительная активность очень мала по сравнению с активностью других изотопов.

Радиоактивные изотопы, содержащиеся в оболочке Земли, играли и играют исключительную роль в развитии нашей планеты, в частности в развитии и сохранении жизни, так как они компенсировали потери тепла, происходящие на Земле, и обеспечивали практическое постоянство температуры на планете в течение многих миллионов лет. Радиоактивные изотопы, подобно всем другим изотопам, содержатся в природе в основном в рассеянном состоянии и присутствуют во всех веществах, растительных и животных организмах.

Вследствие различия физико-химических свойств изотопов относительное содержание их в почвах и водах оказывается неодинаковым. Газообразные продукты распада урана, тория и актиния - торон, радон и актинон - из почвенных вод непрерывно поступают в воздух. Кроме этих газообразных продуктов, в воздухе содержатся также альфа- и бета-активные продукты распада радия, тория и актиния (в виде аэрозолей). Из почвы радиоактивные элементы, как и стабильные, вместе с почвенными водами поступают в растения, поэтому стебли и листья растений всегда содержат уран, радий, торий с продуктами их распада, калий и ряд других изотопов, хотя и в относительно малых концентрациях. В растениях и животных также присутствуют изотопы С14, Н3, Be7 и другие, которые образуются в воздухе под воздействием нейтронов космического излучения. Вследствие того что совершается непрерывный обмен между человеческим организмом и окружающей средой, все радиоактивные изотопы, содержащиеся в пищевых продуктах, воде и воздухе, содержатся и в организме. Изотопы находятся в организме в следующих дозах: в мягких тканях-31 мбэр/год, в костях-44мбэр/год. Доза от космического излучения составляет 80-90 мбэр/год, доза от внешнего гамма-излучения - 60-80 мбэр/год. Суммарная доза равна 140-200 мбэр/год. Доза, падающая на легкие, - 600-800 мбэр/год.

Искусственно радиоактивные изотопы получаются путем бомбардировки стабильных изотопов нейтронами или заряженными частицами в результате различных ядерных реакций, в качестве источников заряженных частиц используются различные типы ускорителей.

Об измерениях потоков и доз различных видов ионизирующих излучений - см. Дозиметрия, Дозы ионизирующих излучений, Нейтрон.

Вследствие того что большие дозы радиации вредно отражаются на здоровье людей, при работе с источниками излучений и радиоактивными изотопами применяются специальные меры защиты (см. ).

В медицине и биологии изотопы используют для изучения обмена веществ, в диагностических и терапевтических целях (см. ). Содержание радиоактивных изотопов в организме и динамику их обмена определяют при помощи счетчиков внешнего излучения от человека.

Цели урока:

Образовательные:

Закрепить знания о радиоактивности и видах излучения, формирование у школьников научного мировоззрения, глубже познакомить учащихся с процессом физического познания мира.
Синтез знаний, полученных на уроке химии, для формирования представления об атоме.
Учащиеся должны знать опыт Резерфорда (установку, ход эксперимента, результаты), планетарную модель атома, должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда.

Развивающие: продолжить развитие мышления, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы.

Воспитательные:

развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);
пробудить у учащихся интерес к научно – популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма урока: комбинированный урок.

Методы урока: словесные, наглядные, практические.

Оборудование:

персональный компьютер; мультимедийный проектор; интерактивная доска;

Раздаточный материал: таблица «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева».

Ход урока

1. Организация работы .

Объявление темы и цели урока, порядка работы на уроке.

2. Повторение изученного. Этап подготовки к активному и сознательному усвоению материала (актуализация знаний).

Мир сложен –
Он полон событий, сомнений
И тайн бесконечных,
И смелых догадок.
Как чудо природы
Является гений
И в хаосе этом
Находит порядок.

Кто же этот гений, этот чудак, который совершил величайшее открытие в прошлом столетии? Чудаки украшают жизнь. Это беспокойные, необыкновенно пытливые и безгранично любопытные люди, упорно выискивающие малопонятные проблемы. Упорно что-то открывают, изобретают, экспериментируют, изготавливают. Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни из них решаются очень легко. Над другими бьются несколько поколений ученых. Казалось бы, почти детский вопрос «Как устроен атом?». А ответ на него люди искали около 2500 лет.

На предыдущем уроке мы говорили о существовании фактов, подтверждающих сложное строение атома.

В чем заключается открытие, сделанное А. Беккерелем в 1896 году?
Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?
Расскажите, как проводился опыт под руководством Э.Резерфорда, схема которого изображена на слайде. Что выяснилось в результате этого опыта?
Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?
Что представляют собой эти частицы?

3. Изучение нового материала .

Учитель: Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий тому назад. Сторонники атомистической теории рассматривали атом как мельчайшую частицу и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц – атомов.

Учитель: Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Люди поняли, что атом делим и в природе существуют частицы, меньше атома.

Вопрос. Какие вы знаете частицы, меньше атома?

Учащиеся: электрон, протон, нейтрон.

Учитель: После всех этих открытий, когда стало ясно, что атом может иметь сложную структуру, несколькими учеными были предложены различные теоретические модели строения атома. Наибольшую популярность из них получила модель, предложенная Дж.Дж Томсоном.

Учитель: Джозеф Джон Томсон показал на основе классической электромагнитной теории, что размеры электрона должны быть порядка 10 – 15 м, кроме того было известно, что размеры атомов составляют несколько ангстрем (один ангстрем равен 10 – 10 м).

На этом основании Томсон в 1903 году предложил модель атома, согласно которой атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в котором находятся электроны. Суммарный (отрицательный) заряд электронов равен положительному заряду атома. Поэтому атом в целом нейтрален.

Эта модель получила название «пудинг», так как электроны были вкраплены в положительную среду, подобно изюму в пудинге.

Отклонение электрона в атоме от положения равновесия приводит к возникновению вращающей силы. Поэтому электрон, выведенный каким-либо образом из положения равновесия, совершает колебания, а потому является источником электромагнитного излучения.

Модель Томсона казалась привлекательной с той точки зрения, что предполагала наличие электрона в атоме. Однако она просуществовала только до 1911 года.

Опыт Резерфорда.

Итак, модель атома построена. Теперь необходимо проверить ее с помощью эксперимента. А что в ней проверять? Конечно, как распределен внутри атома положительный заряд и как в нем расположены электроны. Но ведь для этого нужно проникнуть внутрь атома! Разве это возможно? Чтобы проникнуть внутрь атома, нужны частицы таких же или меньших размеров. Такие частицы и были обнаружены при изучении явления радиоактивности.

Задание 1. Рассчитайте, во сколько раз – частица тяжелее электрона.

Учащиеся: (Решив самостоятельно) В 7350 раз. Поэтому в качестве снарядов нужно выбрать – частицу.

Учитель. Вы правы. Экспериментом, который внес решающий вклад в создание современной теории строения атома, стал опыт, проведенный в 1911 году Эрнестом Резерфордом, совместно с его ассистентами Г. Гейгером и Э. Марсденом.

Учитель: Детально рассмотрим схему опыта Резерфорда. В свинцовый контейнер помещали крупинку радиоактивного вещества – радия (Rn). Через небольшое отверстие из контейнера выходил узкий пучок – частиц. Напротив отверстия располагался экран, покрытый сернистым цинком. Попадая на него, – частицы вызывали сцинтилляции в небольшой части экрана, как раз напротив выходного отверстия. Когда на пути поместили тонкую фольгу из золота, область экрана, на которой наблюдались сцинтилляции, значительно увеличилась. Это означало, что – частицы изменили свое первоначальное направление – испытали рассеяние.

Вопрос. Как вы думаете, что могло явиться причиной отклонения – частиц?

Учащиеся. Электроны не могли изменить направление движения – частиц, так как их масса во много раз меньше массы – частицы. Значит что-то другое.

Задание 2. Учитывая, что в твердом теле атомы упакованы плотно, а расстояние между их центрами составляет величину порядка 2,5 ·10 -10 м (по данным рентгено – структурного анализа), рассчитайте сколько слоев атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мкм.

Учащиеся: (решив самостоятельно) примерно 1600 слоев.

Учитель: Итак: тот факт, что многие – частицы пролетают через тысячи атомов золота, не взаимодействую с ними, следует, что атом не является сплошным. (Модель атома Томсона не подтверждается). Если – частица не испытывает действия положительного заряда атома, направление движения ее не меняется. Если такое действие есть, то направление движения меняется, причем тем сильнее отклоняется, чем сильнее действие. Чтобы обнаружить всевозможные отклонения частиц, экран сделали сферическим.

Вопрос. При проведении опытов обычно проводят измерения. Какие, по вашему мнению, проводились измерения в опытах Резерфорда?

Учащиеся: Подсчитывалось количество – частиц, которые не испытали взаимодействия с атомами золота, и которые отклонились на различные углы.

Учитель: Подсчет рассеянных частиц дал следующие результаты:

Последнего результата никто не ожидал, так как все в то время придерживались модели Томсона, согласно которой атомы представлялись настолько «рыхлыми», что не были способны вызвать столь значительные отклонения частиц. Много позже Резерфорд рассказывал, как к нему «пришел страшно возбужденный Гейгер и сказал: «Нам удалось наблюдать – частицы, возвращающиеся назад». Это было самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и угодил бы в вас. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить величину такого же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре».

Для теоретического анализа полученных данных необходимо было знать теорию вероятностей. Чтобы ликвидировать пробелы в знаниях этого раздела математики, Резерфорд не постеснялся вновь сесть на студенческую скамью, вызвав удивление собственных студентов, неожиданно увидевших своего профессора рядом с собой.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу:

Что столь сильное отклонение – частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле. Было рассчитано, что такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома);

Так как m >m e примерно в 8000 раз, то электроны, входящие в состав атома, не могли изменить направление движения – частиц.

Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил ядерную модель (планетарную) строения атома. Атом напоминает Солнечную систему, только вместо Солнца в нем находится ядро, а вместо планет – электроны.

Ядерная модель оказалась очень изящной и намного более простой, чем модель атома Томсона. Резерфорд был доволен. Ещё бы! Ведь он оказался первым человеком, которому открылась тайна строения атома.

Масштабы атома «по Резерфорду» можно представить так:

Ядро меньше атома во столько раз, во сколько раз маковое зерно меньше здания Московского университета на Воробьевых горах;

Если увеличить атом приблизительно в 10 15 раз, то он станет размером с город Москва;

Если ядро атома размером с вишню будет находиться в центре Красной площади, то электрон – размером с пылинку будет летать по окружности кольцевой автодороги. Все остальное в атоме – пустота

4. Закрепление новых знаний.

Учитель: Теперь откройте таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на нее. Рассмотрим строение атома химических элементов водорода, гелия, лития, бериллия (H, He,Li,Be). Пример: Атом водорода занимает первую клеточку в таблице Менделеева. Электрический заряд ядра атома водорода положителен и равен произведению элементарного электрического заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева. q=Ze .Значит, заряд ядра равен 1. Мы можем определить и количество электронов в атоме водорода. Так как атом нейтрален, то количество электронов в атоме водорода будет равно 1.Электрон имеет отрицательный заряд.

Каков заряд ядра атома He,Li,Be?
Сколько электронов в атоме He,Li,Be?
Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?
Что является главной характеристикой определенного химического элемента?
В чем сущность планетарной модели строения атома?

5. Изложение материала развивающего характера.

Сообщения учащихся: «Страницы биографии Эрнеста Резерфорда».

6. Подведение итогов. Ученикам, отвечавшим на вопросы и самостоятельно размышлявшим в ходе урока, выставляются оценки. При ответах оценивается не только правильность ответа, но и ход рассуждений, количество и качество ошибок.

Домашнее задание §56. Нарисовать схему модели атома лития, азота, кислорода, фтора. Определить заряд ядра каждого атома.

Литература

Физика –9 кл. А. В.Перышкин,Е. М. Гутник Москва:,Дрофа,2003г.
Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. Под редакций С.Е.Каменецкого Москва:,Akademia,2000 г.
Физика –11 кл. С.В.Громов Москва:,Просвещение,1999 г.
П.С. Кудрявцев Курс истории физики.Москва:,Просвещение,1974 г.
Первое сентября. Приложение «Физика» № 10 2004 г.
Интернет – ресурсы:

http;//www-college.ru;
http;//www.tdu.nstu.ru;
http;//bibliotekar.ru.

Вопросы.

1. В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?

Беккерель в 1896 г. обнаружил, что химический элемент уран U самопроизвольно испускает невидимые лучи.

2. Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

Эту способность стали называть радиоактивностью.

3. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунках 167, а, б. Что выяснилось в результате этого опыта?

В опыте на рис. 167 крупицу радия Ra поместили в толстостенный сосуд. Из него, через щель, выходит пучок радиоактивного излучения, засвечивающего фотопластинку. Затем на пучок подействовали магнитным полем, в результате чего пучок расщепляется на три потока: положительно заряженный, отрицательно заряженный и нейтральный, что фиксировалось по образованию на фотопластинке трех пятен.

4. Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения? Что представляют собой эти частицы?

Было установлено, что радиоактивное излучение состоит из трех видов частиц: α- частиц- ионизированных атомов гелия He, β- частиц- электронов и γ- частиц - фотоны.