16_Radioaktivnost(1)

Строение элемента и характеристика атома

За атомную единицу массы принимается 1/12 атома ₁₂С. 1 а.е.м. = 1,6605*10^-27 м.

Атом (электронетрален):

-ядро (r~10^-5м) – положительно заряжено (нуклоны)

-электронные оболочки (отрицательно заряжены)

Название	Протон	Нейтрон	Электрон
Обозначение	11p	01n	-10ē/ -10B
Заряд	1.6*10-19 Кл	0	-1,6*10-19 Кл
Масса покоя	1,672*10-27 кг	1,675*10-27 кг	9,11*10-31 кг

Химические элементы имеющие одинаковый порядковый номер Z, но различные массовые числа А – называются изотопами, а если наоборот – изобарами.

Основные характеристики ядра

Название характеристики	Обозначение	Определение	Формула
Атомный номер	Z	Номер хим. элемента в периодической системе. Равен числу протонов в ядре и числу ē в электронной оболочке.
Массовое число	А	Число нуклонов в ядре.	A = Z+N
Энергия связи ядра	ЕСВ	Энергия, выделяющаяся при образовании ядра из свободных нуклонов. Эта та энергия, необходимая для разделения ядра на свободные нуклоны.	E = mc2 ЕСВ = ЕCВ Н – ЕЯ = z*mp*c2+Nmn*c2 – ЕЯ = c2* (z*mp+Nmn-MЯ) = ∆mc2 ∆m – дефект масса ядра
Дефект массы ядра	∆m	Физ. величина, равная разнице м/у массой свободных нуклонов и нуклонов, находящихся в ядре.	∆m = z*mp-Nmn-MЯ
Удельная энергия связи ядра	εСВ	Физ. величина, равна ЕСВ ядра, приходящейся на 1 нуклон	εСВ = ЕСВ/А

Удельная энергия связи ядра зависит от массового числа.

ε_СВ (МэВ)

10

8

6

4

2

50 100 150 200 250 А

Как видно из графика, наибольшей удельной энергией связи обладают частицы при А>50. Удельная энергия связи характеризует ту часть энергии связи нуклонов, которая была выделена при образовании ядра данного элемента. Следовательно, чем энергия связи удельнее, тем больше энергии связи нуклонов остается в ядре и м/б выделена при его превращениях. Поэтому если ядра с меньшей энергией связи превращаются в ядра с большей удельной энергией связи, та часть

Свойства ядерных сил:

-являются самыми сильнодействующими

-являются силами «притяжения»

-обладают свойством зарядовой независимости

-являются короткодействующими (только в пределах ядра)

-обладают свойством насыщения – каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов

-зависят от спинов нуклонов и носят обменный характер

Известно, что ядра одних элементов устойчивы, а других – нет. Из 1700 ядер, только 270 устойчивы (стабильны).

Условие устойчивости ядра: ядро является устойчивым, если его энергия min.

Min энергия ядра достигается при определенных соотношениях м/у числом протонов и нейтронов в ядре. При малых и средних массовых числах, числа протонов и нейтронов в устойчивых ядрах приблизительно равны. С увеличением заряда ядра Z, и числа протонов, силы отталкивания м/у ними растут пропорционально Z² и для их компенсации ядерными силами притяжения, число нейтронов в тяжелых ядрах, должно расти быстрее. Неустойчивые ядра, стремясь перейти в устойчивые, должны изменять соотношение м/у числом протонов и нейтронов. Одним их процессов ведущих к устойчивости ядер является радиоактивность.

Явление радиоактивности

1869г. – открытия явления радиоактивности Беккерелем.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер одного химического элемента в ядра другого химического элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц и γ-квантов.

Радиоактивный распад – это самопроизвольный процесс, который не зависит от внешних условий.

Радиоактивные превращения также не зависят от того, происходят ли они в веществе, находящемся в виде химически чистого элемента или в соединениях этого элемента. Это объясняется тем, что радиоактивные превращения не являются свойством ядер атомов.

Под радиоактивным излучением понимают: α, β, γ – изучение.

Правило Содди: после распада сохраняется суммарный заряд и массовое число.

Позитроны – заряды противоположные заряду ē. В ядре ē нет, но они образуются при превращении нейтронов в протоны.

ﻵ - антинейтрино.

Спектр β-излучения

dN/dW

W_MAX

dN/dW – число частиц, обладающих данной энергией dW.

При β-распаде из ядра вылетают 2 частицы (электроны и антинейтрино; позитроны и нейтрино), а энергия, которая испускается ядром, распространяется м/у ними случайным образом. При этом невозможны ситуации, когда вся энергия была бы передана одной из частиц  сплошной спектр.

Все типы радиоактивности сопровождаются γ-излучением. Как правило, после радиоактивного превращения, образовавшиеся ядра находятся в возбужденном состоянии. Ядро, стремясь освободиться от избыточной энергии, излучает эту энергию в виде γ-квантов. Спектр γ-излучения – линейчатый, т.к. энергия дочерних и материнских ядер дискретна.

Свойства радиоактивного излучения:

-невидимо

-обладает химическим и биохимических действием

-вызывает ионизацию вещества

-относится к ионизирующим типам излучения

-возбуждает люминесценцию некоторых твердых тел и жидкостей

-т.к. α и β-частицы заряжены, то в М.П. они отклоняются в движении. γ-частицы – нет.

Основной закон радиоактивного распада

За одинаковый промежуток времени, распадается одинаковая доля наличных ядер данного элемента ядерный распад – это статистический процесс, а распад конкретного ядра – событие случайное, имеющее определенную вероятность.

Вероятность распада данного химического элемента – λ – постоянная распада.

dN – число распадающихся ядер за время dT

N – наличное число ядер

-dN= λN*dt (ДУ с разделяющимися переменными)

∫dN/N= -λ ∫dt

lnN= -λt+C

N = c*e^-λ*t

При t=0, N=N₀

N=N₀ e^-λ*t – зависимость изменения числа нераспавшихся ядер N от времени

N

N₀

N₀/2

N₀/4

N₀/8

T1/2 2T/2 3T/2 T

Характеристики радиоактивного распада

Период полураспада (T _1/2) – время, за которое распадается половина от наличного числа ядер.

[T_1/2] = [c; мин; ч]

Постоянная распада (λ) – характеризует долю исходных ядер, распавшихся за единицу времени.

-dN= λN*dt

λ = │-dN/N│/ dt, где │-dN/N│ - доля; dt – единица времени.

λ – вероятность распада. Зависит от природы ядра химического элемента.

Активность радиоактивного распада (А) – это число распадов в секунду (скорость распада). Зависит от природы ядра и числа наличествующих ядер.

[A] = [1/c]=[Бк] – Беккерель

1Ки (Кюри) = 3,7*10¹⁰ Бк

Существует связь м/у этими величинами:

A = │dN/dt│=│d(N₀ e^-λ*t)/dt│` = λ* N₀e^-λ*t = λN(число нераспавшихся ядер в данный момент времени)=A₀*e^-λ*t

С течением времени активность радиоактивного элемента убывает по экспоненциальному закону:

T_1/2 = ln2/λ

A= ln2*N/T_1/2

3