Уравнение смещения для альфа распада (2 видео)

Альфа-распад. Бета-распад. Ядерные реакции

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: (88^Rarightarrow86^Rn+2^4) He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов (Z) и нейтронов (N) в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов (Z-2) и количеством нейтронов (N-2) и, соответственно, атомной массой (A-4) . То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: (92^Urightarrow90^Th+2^4) He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон ( (beta) -частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример (beta) -распада: (19^Krightarrow20^Ca+_ ^0e+_0 ^0v) .

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия (^4) He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на (2) . Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше (200) ). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растет с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше (2) МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима (^) Nd) до (23700) км/с (у изотопа полония (^) Po). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

Пример альфа-распада для изотопа (^U) :

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Какой вид ионизирующих излучений из перечисленных ниже наиболее опасен при внешнем облучении человека?

Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок (approx1) мм. Какие излучения он может зарегистрировать?

Какой заряд (Z) и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа (_^) Po после одного (alpha) -распада и одного электронного (beta) -распада?

(alpha) -излучение – это

В результате одного (alpha) -распада и одного (beta) -распада из радиоактивного изотопа лития (_3^8Li) образуется изотоп

Естественная радиоактивность – это

(alpha) -излучение представляет собой поток

Ядерная реакция имеет вид (x+_1^1H rightarrow _^Na+_2^4He) . Определите недостающий элемент.

Ядерная реакция имеет вид (_2^4He + _4^9Be rightarrow _6^C+x) . Определите недостающий продукт реакции.

Ядро бериллия (9^4) Ве сталкивается с частицей, при этом продуктом реакции оказались один нейтрон и ядро изотопа некоторого элемента. Определите этот элемент.

Каково массовое число ядра (X) в реакции (^_!Cm + ^_!He → X + 2^1_0n?)

Определите число (α) и (β) распадов при превращении ядра урана (_^!U) в ядро свинца (_^Pb) .

Определите массовое число и порядковый номер элемента, образовавшегося из урана (_^) U , если с ним произошло (3 alpha) -распада и (2 beta) -распада.

Определите массовое число ядра (X) в реакции деления урана.

Из приведенных реакций выберите те, которые соответствуют термоядерным.

Содержание

Правило смещения при радиоактивном распаде
Достижения Фредерика Содди в области радиоактивности
Работы Казимира Фаянса
Понятие радиоактивности
Нестабильные атомные изотопы
Различные виды радиоактивности
Корпускулярные виды распада
Гамма-распад
Правила радиоактивного смещения
Строение атомного ядра. Типы радиоактивного распада (правило смещения).
🔥 Видео

Видео:Альфа-распадСкачать

Правило смещения при радиоактивном распаде

Правило смещения при радиоактивном распаде в радиохимии и ядерной физике, которое также известно под названием закона Содди-Фаянса, представляет собой правило, определяющее превращение одного элемента в другой во время радиоактивного распада. Оно было изложено в 1913 году независимо двумя учеными: английским радиохимиком Фредериком Содди и американским физико-химиком с польскими корнями Казимиром Фаянсом.

Видео:Урок 223 (осн). Альфа- и бета-распад. Правила Содди.Скачать

Достижения Фредерика Содди в области радиоактивности

Содди вместе с Резерфордом стоит у истоков открытия радиоактивных атомных превращений. Так, в 1903 году Содди открыл, что радий в процессе своего распада излучает ядра гелия. Также этот ученый показал, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь различные массы, что привело его к разработке концепции изотопов. Содди установил правила смещения химических элементов во время альфа- и бета- радиоактивных распадов, что стало важным шагом в понимании взаимосвязи между семействами радиоактивных элементов.

В 1921 году Фредерик Содди был удостоен Нобелевской премии по химии за важные открытия в области физики радиоактивных элементов и за исследования природы изотопов.

Видео:альфа и бета распадСкачать

Работы Казимира Фаянса

Этот ученый провел важные исследования радиоактивности различных изотопов и разработал квантовую теорию электронной структуры молекул. В 1913 году одновременно с Фредериком Содди и независимо от него Фаянс открыл правила смещения, которые регулируют преобразование одних химических элементов в другие в процессе радиоактивных распадов. Также Фаянс открыл новый химический элемент — протактиний.

Видео:11 класс, 25 урок, Радиоактивность. Правила смещенияСкачать

Понятие радиоактивности

Перед тем как рассмотреть законы радиоактивного распада и правила смещения, необходимо разобраться с понятием радиоактивности. В физике под этим словом понимают способность ядер некоторых химических элементов испускать излучение, обладающее следующими свойствами:

способность проникать в человеческие ткани, оказывая разрушающее действие;
способность ионизировать газы;
стимуляция процесса флюоресценции;
прохождение через различные твердые и жидкие тела.

Благодаря этим способностям обычно это излучение называют ионизирующим. Природа радиоактивного излучения может быть либо электромагнитной, например, рентгеновские лучи или гамма-излучение, либо носить корпускулярный характер, испускание ядер гелия, протонов, электронов, позитронов и других элементарных частиц.

Таким образом, радиоактивность — это феномен, наблюдаемый у нестабильных ядер атомов, которые спонтанно способны превращаться в ядра более стабильных элементов. Говоря простыми словами, нестабильный атом испускает радиоактивное излучение, чтобы стать стабильным.

Видео:Альфа-распадСкачать

Нестабильные атомные изотопы

Нестабильные изотопы, то есть атомы одного и того же химического элемента, которые обладают различной атомной массой, находятся в возбужденном состоянии. Это говорит о том, что они обладают повышенной энергией, которую стремятся отдать, чтобы перейти в равновесное состояние. Учитывая, что все энергии атома квантованы, то есть имеют дискретные значения, то и сам радиоактивный распад происходит за счет потери конкретной кинетической энергии.

Нестабильный изотоп в процессе радиоактивного распада переходит в более стабильный, но это не значит, что новое образованное ядро не будет обладать радиоактивностью, оно также может распадаться. Ярким примером этого процесса является ядро урана-238, которое за несколько столетий испытывает ряд распадов, превращаясь, в конце концов, в атом свинца. Отметим, что в зависимости от вида изотопа, он спонтанно может распадаться, как через миллионные доли секунды, так и через миллиарды лет, например, тот же уран-238 имеет период полураспада (время, за которое половина ядер распадается) равный 4,468 млрд лет, в то же время для изотопа калия-35 этот период равен 178 миллисекундам.

Видео:Уравнения ядерных реакций для разных видов распада (видео 19)| Квантовая физика | ФизикаСкачать

Различные виды радиоактивности

Применение того или иного правила радиоактивного смещения зависит от типа радиоактивного распада, который испытывает конкретный элемент. В общем случае выделяют следующие виды радиоактивности:

альфа-распад;
бета-распад;
гамма-распад;
распад с испусканием свободных нейтронов.

Все эти виды радиоактивного распада (за исключением испускания свободных нейтронов) установил новозеландский физик Эрнест Резерфорд еще в начале XX века.

Видео:Альфа и бета распад правила смещение Содди. Физика 9 классСкачать

Корпускулярные виды распада

Альфа-распад связан с испусканием ядер гелия-4, то есть речь идет о корпускулярном излучении, частицы которого состоят из двух протонов и двух нейтронов. Это означает, что масса этих частиц равна 4 в атомных единицах массы (АЕМ), а электрический заряд равен +2 в единицах элементарного электрического заряда (1 элементарный заряд в системе СИ равен 1,602*10 − 19 Кл). Испущенное ядро гелия до распада входило в состав ядра нестабильного изотопа.

Природа бета-распада заключается в испускании электронов, которые имеют массу 1/1800 АЕМ и заряд -1. Ввиду отрицательного заряда электрона, этот распад называют бета-отрицательным. В отличие от альфа-частицы электрон не существовал до распада в атомном ядре, а образовался в результате превращения в протон нейтрона. Последний остался в ядре после распада, а электрон покинул атомное ядро.

Впоследствии был обнаружен бета-положительный распад, который заключается в испускании позитрона-античастицы электрона. Радиоактивный позитрон образуется в результате обратной реакции, чем электрон, то есть протон в ядре превращается в нейтрон, теряя при этом свой положительный заряд.

В ряде радиоактивных превращений одного ядра в другое происходит испускание нейтронов различных энергий. Как и протон, нейтрон имеет массу 1 АЕМ (если быть более точным, то нейтрон на 0,137% тяжелее протона) и обладает нулевым электрическим зарядом. Таким образом, при данном типе распада ядро-родитель теряет только 1 единицу своей массы.

Видео:Урок 467. Радиоактивные превращения. Правила смещения СоддиСкачать

Гамма-распад

Гамма-распад в отличие от предыдущих видов распада имеет электромагнитную природу, то есть это излучение подобно рентгеновскому или видимому свету, однако, длина волны гамма-излучения намного меньше, чем у любой другой электромагнитной волны. Гамма-лучи не обладают массой покоя и зарядом. По сути, гамма-лучи — это лишняя энергия, которая существовала до распада в ядре атома, обуславливая его нестабильность. Химический элемент сохраняет свое положение в периодической таблице Д. И. Менделеева при гамма-распаде.

Видео:ФИЗИКА 9 класс: Альфа, Бета распад | Решение задачСкачать

Правила радиоактивного смещения

Пользуясь этими правилами, можно легко определить, какой химический элемент должен получиться из данного родительского изотопа при определенном виде радиоактивного распада. Поясним эти правила смещения в физике:

При альфа-распаде, поскольку ядро теряет 4 АЕМ массы и +2 единицы заряда, образуется химический элемент, стоящий на 2 позиции левее в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, ₉₂U 238 = ₉₀Th 234 , здесь нижний индекс — заряд, верхний — масса ядра.
В случае бета-отрицательного распада заряд материнского ядра увеличивается на 1 единицу, при этом масса остается неизменной (масса электрона, испускаемого в процессе этого распада, составляет всего 0,06% от массы протона). В данном случае правило смещения равновесия гласит, что должен образоваться изотоп химического элемента, стоящий на одну клетку правее от материнского элемента в таблице Д. И. Менделеева. Например, ₈₂Pb 212 = ₈₃Bi 212 .
Правило смещения при бета-положительном распаде (излучение позитрона) гласит, что в результате этого процесса образуется химический элемент, который на 1 позицию стоит левее от материнского элемента, и имеет ту же массу ядра, что и он. Например, ₇N 13 = ₆C 13 .

Видео:Закон радиоактивного распада. Правила смещения при радиоактивном распаде. Видеоурок по физикеСкачать

Строение атомного ядра. Типы радиоактивного распада (правило смещения).

Строение атомного ядра

В 1911 г. в результате исследований, проведенных Резерфордом по рассеянию α-частиц при прохождении через вещество, был открыт протон — ядро атома водорода, который обладает положительным электрическим зарядом, равным модулю заряда электрона.

Заряд ядра атома

Английский физик Г. Мозли в 1913 г. предсказал, что заряд ядра атома q,=Ze, где е —элементарный электрический заряд; Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, определяет число электронов в атоме. Химические свойства зависят только от зарядового числа. Немецкие ученые В. Боте и Г. Беккер, изучая реакции (1930),происходящие при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью.

В 1932 г. английский физик Дж. Чэдвик выдвинул гипотезу: бериллиевые лучи состоят из нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Их назвали нейтронами.

Дальнейшие исследования показали, что нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.

Масса нейтрона m_n=1838,6 электронных масс, масса протона m_p= 1836,1 электронных масс, m_n > m_p приблизительно на 2,5 массы электрона. После открытия нейтрона Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра.

В ядре протон и нейтрон неразличимы, поэтому их называют нуклонами (ядерными частицами). Число протонов Z, число нейтронов N, массовое число—это суммарное число нуклонов в ядре А..

Z — заряд ядра,

номер элемента в таблице Менделеева

N — число нейтронов

Обозначение химических элементов (ядер) в атомной и ядерной физике.

, где X — символ химического элемента.

— протон; — нейтрон; — электрон; -частица;

Типы радиоактивного распада

(правила смещения)

Альфа-распад

Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием a—частиц, называетсяальфа-распадом. Теория создана Г.А. Гамовым в 1930-32 г. на основе квантово-механического туннельного эффекта.

Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра является образование двух протонов и двух нейтронов. Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия связи, то оно покинет ядро в виде a-частицы.

Если — материнское ядро, то превращение этого ядра при a.-распаде происходит по следующей схеме (правило смещения): где —символ дочернего ядра; —ядро атома гелия ; hv — квант энергии, испускаемой ядром.

При альфа-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета-распад Теория создана в 1930г. Энрико Ферми.

Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются согласно гипотезе Ферми в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется: .

При β- распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино,

Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют α-лучи, в меньшей степени— β-лучи и совсем плохо — γ-лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у α-лучей (лист бумаги; несколько сантиметров слоя воздуха), а β-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ-лучей (например, для алюминия — пластины толщиной десятки сантиметров).