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
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Радиоактивные превращения |
| Рубрика (тематическая категория) | Радио |
К наиболее важным типам радиоактивных превращений (таблица 2) относятся a-распад, b-превращения, g-излучение и спонтанное деление, причем в природе в земных условиях встречаются практически только первые три типа радиоактивных превращений. Отметим, что b-распады и g-излучение характерно для нуклидов из любой части периодической системы элементов, а a-распады свойственны достаточно тяжелым ядрам.
Таблица 2
Основные радиоактивные превращения (Наумов, 1984)
| Тип превращения | Z | A | Процесс | Первооткрыватели |
| -распад | -2 | -4 | Э. Резерфорд, 1899 | |
| -превращения | 1 | - | - | |
| - -превращения | +1 | Э. Резерфорд, 1899 | ||
| + превращения | -1 | И. Жолио-Кюри, Ф. Жолио-Кюри, 1934 | ||
| К-захват | -1 | Л. Альварес, 1937 | ||
| -излучение | П. Виллард, 1900 | |||
| спонтанное деление | К.А. Петржак, Г.Н. Флеров, 1940 | |||
| протонная радиоактивность | -1 | -1 | Дж. Черни и др., 1970 | |
| двухпротонная радиоактивность | -2 | -2 | Дж. Черни и др., 1983 |
a - распад
- это радиоактивное превращение ядер с испусканием a-частиц (ядер гелия):. Сегодня известно более 200 a- радиоактивных ядер.
Размещено на реф.рф
Все они являются тяжелыми, Z>83. Считается, что любое ядро из этой области обладает a-радиоактивностью (даже если она пока не обнаружена). a-распаду подвержены также некоторые изотопы редкоземельных элементов, у которых число нейтронов N>83. Эта область a-активных ядер расположена от (Т 1/2 = 5∙10 15 лет) до (Т 1/2 = 0,23 с). Энергии распадных a-частиц заключены довольно жесткие пределы: 4¸9 МэВ для тяжелых ядер и 2¸4,5 МэВ для ядер редкоземельных элементов, однако у изотопови вылетают a-частицы с энергиями до 10,5 МэВ. Все a-частицы, вылетающие из ядер заданного типа, имеют примерно равные энергии. a-частицы уносят практически всю энергию, выделяющуюся при a-распаде. Периоды полураспада a-излучателей лежат в широком диапазоне: от 1,4∙10 17 лет для до 3∙10 -7 с для .
b-превращения . Долгое время был известен только электронный распад, который назывался b-распадом: . В 1934 ᴦ. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри при бомбардировке некоторых ядер был открыт позитронный , или b + -распад: . К b-превращениям также относят электронный захват : . В этих процессах ядро поглощает электрон из атомной оболочки, причем обычно из К-оболочки, в связи с этим процесс называют еще К-захватом. Наконец, к b-превращениям относят процессы захвата нейтрино и антинейтрино :и . В случае если a-распад является внутриядерным процессом, то элементарные акты b-превращений представляют внутринуклонные процессы: 1); 2); 3); 4); 5).
g-излучения ядер . Суть явления g-излучения в том, что ядро, находящееся в возбужденном состоянии, переходит в более низкие энергетические состояния без изменения Z и А, но с испусканием фотонов, и в конечном итоге оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергий ядра дискретны, то спектр g-излучения также дискретен. Он простирается от 10 кэВ до 3 МэВ, ᴛ.ᴇ. длины волн лежат в области 0,1¸ 4∙10 -4 нм. Важно заметить, что для сравнения: для красной линии видимого спектра lʼʼ600 нм, а Еg= 2 эВ. В цепочке радиоактивных превращений ядра оказываются в возбужденном состоянии в результате предшествующих b-распадов.
Правила сдвига для Z и A, приведенные в таблице, позволяют сгруппировать все естественные радиоактивные элементы в четыре больших семейства или радиоактивных ряда (табл. 3).
Таблица 3
Основные радиоактивные ряды (Наумов, 1984)
| Ряд | А | Начальный нуклид | , лет | Число превращений | Конечный нуклид |
| Тория | 4n | 1.4*10 10 | |||
| Нептуния | 4n+1 | 2.2*10 6 | |||
| Урана | 4n+2 | 4.5*10 9 | |||
| Актиния | 4n+3 | 7*10 8 |
Ряд актиния получил свое название потому, что предшествующие три члена были открыты позднее его. Родоначальник ряда нептуния относительно мало стабилен и в земной коре не сохранился. По этой причине ряд нептуния сначала предсказали теоретически, а затем его структуру реконструировали в лаборатории (Г. Сиборг и А. Гиорсо, 1950г).
Каждый радиоактивный ряд содержит члены и с более высокими значениями заряда и массового числа, но они имеют сравнительно малые времена жизни и в природе практически не встречаются. Все элементы с Z>92 называют трансурановыми, а элементы с Z>100 - трансфермиевыми.
Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строение ядра, вследствие чего на данный процесс невозможно повлиять никакими физическими или химическими способами, не изменив состояние атомного ядра.
Радиоактивные превращения - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Радиоактивные превращения" 2017, 2018.
Основной характеристикой атома являются 2 числа:
1. массовое число (A) – равно сумме протонов и нейтронов ядра
2. атомный номер (Z) в периодической системе элементов Менделеева – равен числу протонов в ядре, т. е. соответствует заряду ядра.
Тип радиоактивного превращения определяется Видом частиц, испускаемых при распаде . Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен, т. е. идет с выделением энергии. Исходное ядро называется материнским (в нижеприведенных схемах обозначено символом X), а получающееся после распада ядро – дочерним (в схемах – символ Y).
Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:
А) Альфа-распад – состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т. е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа-активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.
Примеры альфа-распада :
Б) Бета-превращение – это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра b-частицы (электрон , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).
Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до Emax (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется Спектром электронов B -распада, или бета-спектром ; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.
Один из примеров бета-превращения одиночного нуклона – Распад свободного нейтрона (период полураспада 11,7 мин):
Виды бета-превращения ядер:
1) электронный распад
: 
.
Примеры электронного распада: ,
2) Позитронный распад :
Примеры позитронного распада: , 
3) Электронный захват
(К-захват, т. к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки): 
Примеры электронного захвата: 
, 
В) Гамма-превращение (изомерный переход) – внутриядерное явление, при котором за счет энергии возбуждения ядро испускает гамма-квант, переходя в более стабильное состояние; при этом массовое число и атомный номер не изменяются. Спектр гамма-излучения всегда дискретен. Испускаемые ядрами гамма-кванты обычно имеют энергию от десятков кэВ до нескольких МэВ. Примеры радионуклидов, претерпевающих гамма-превращение: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.
, где индекс “m” означает метастабильное состояние ядра.
Пример гамма-превращения: 
Г) Спонтанное деление ядер – возможно у ядер, начиная с массового числа 232. Ядро делится на 2 сравнимых по массам осколка. Именно спонтанное деление ядер ограничивает возможности получения новых трансурановых элементов. В ядерной энергетике используется процесс деления тяжелых ядер при захвате ими нейтронов:
В результате деления образуются осколки с избыточным количеством нейтронов, которые затем претерпевают несколько последовательных превращений (чаще – бета-распад).
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.
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 , 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 -, - и -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 счавится 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.
Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число -частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле. Если лее препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменыпается. Ученый предположил, что одновременно с -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 1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - -частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых -излучением.
Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совернгенно 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 2 .
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 ».
1 От латинского слова spontaneus самомроиапольный.
2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра.
После того как было открыто атомное ядро, сразу же cталo ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь -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 -распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:
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 -частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При -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 -распаде часть энергии. Образованием антинейтрино сопровождается -распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.
После -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.
При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.
Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде!