Физика

Вступление

 

Алхимики Средневековья в свое время мечтали о философском камне, который бы чудесным образом превращал все тела в золото. Многие знакомы с тем фактом, что в недрах далеких звезд происходят превращения одних химических элементов в другие вследствие протекания в них ядерных реакций.

 

Кроме того, наука достаточно давно дошла до технологий использования энергии радиоактивного распада и превращения одних элементов в другие в реакциях, которые протекают в ядерных реакторах.

Существуют даже смелые проекты использования технологий ядерной энергетики чуть ли не в бытовых условиях.

 

Что же из себя представляют радиоактивные превращения атомных ядер

 

 

В 1902–1903 годах Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди сделали предположение, что радиоактивность элементов связана с превращениями их атомов в атомы других элементов. Расчеты показали, что некоторые радиоактивные элементы могут излучать энергию в течение многих тысячелетий, при этом особо не меняясь.

 

В 1903 году Пьер Кюри сделал вычисления, результатами которых стало, что 1 грамм радия за 1 час может выделить 582 Дж энергии.

Возник вопрос, откуда же берется энергия, на появление которой не оказывают влияние никакие из известных воздействий. Сделали предположение, что при радиоактивности с веществом происходят глубокие изменения, отличные от ранее известных химических превращений. Из этого сделали вывод, что изменения претерпевают сами атомы вещества.

Когда в 1911 году Резерфорд предложил свою планетарную модель атома (рис. 1), ученые сделали предположение, что именно ядро изменяет свою структуру при радиоактивных превращениях.

Рис. 1. Планетарная модель атома

Возможность изменения электронной оболочки ученые при этом отклонили сразу. Так как в таком случае образовывался ион, а не атом нового вещества с какими-то новыми свойствами.

Таким образом, было выдвинуто предположение: в результате атомного превращения образуется вещество нового вида, которое полностью отличается по своим физическим и химическим свойствам:

Что касается практического доказательства вышесказанных предположений, то в 1903 году Резерфорд и Содди в ходе проведения экспериментов обнаружили, что радиоактивный элемент радий в процессе α -распада (т. е. вылета α-частиц) превращается в инертный газ радон (рис. 2). Причем два этих вещества существенно отличались по своим физическим и химическим свойствам.

Рис. 2. α-распад радия

Во-первых, радий при нормальных условиях является твердым металлом, а радон – газом.

Во-вторых, массы ядер этих элементов и их заряды различны.

Проведение серий экспериментов с другими радиоактивными препаратами показало, что превращение одних элементов в другие может происходить не только вследствие – распада, но и вследствие β-распада (при вылете -частиц).

 

Реакция распада радия

 

 

 

Где:    

 – ядро атома радия

 – ядро атома радона

 – -частица( ядро атома гелия)

Указанная реакция является примером ядерной реакции.

Реакция, в результате которой образуются новые элементы, называется ядерной реакцией.

Обозначение индексов элементов (рис. 3)

 

A – массовое число элемента

Z – зарядовое число ядра элемента

Х – обозначение элемента из таблицы Менделеева

Рис. 3. Обозначение элемента

Массовое число (нуклонное число А) ядра атома данного химического элемента с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра.

1 а.е.м =  m(C)

Зарядовое число (протонное число Z) ядра атома данного химического элемента равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде этого ядра.

Элементарный электрический заряд – это наименьший заряд, равный по модулю заряду электрона:

В указанной ядерной реакции  выполнен закон сохранения массового числа и заряда. Это же верно и для всех ядерных реакций.

 

Правило составления ядерных реакций

 

 

В ядерных реакциях сумма верхних индексов элементов, вступающих в реакцию, и ее продуктов одинакова. То же самое верно и для нижних индексов:

 

                    226=222+4                 88=86+2

В зависимости от того, какие частицы выделяются в процессе радиоактивного распада, отличают α-распад, β-распад и другие виды распадов (рис. 4).

Рис. 4. Виды распадов

Установлено, что законы радиоактивного распада подчиняются правилам смещения, который впервые сформулировал Фредерик Содди.

 

Правила смещения

 

 

1. Во время α-распада нуклонное число ядра атома уменьшается на 4, а протонное – на 2. В результате образуется ядро элемента, номер которого в периодической таблице на 2 единицы меньше, чем порядковый номер исходного элемента:

 

Пример: реакция α-распада радона, в результате которой образуется полоний, выглядит следующим образом (рис. 5).

Рис. 5. Реакция α-распада радона

2. Во время β-распада нуклонное число ядра атома остается неизменным, а протонное увеличивается на 1. В результате образуется ядро элемента, порядковый номер которого в периодической таблице на 1 больше, чем порядковый номер исходного элемента:

Пример: реакция β-распада тория, в результате которой образуется протактиний, выглядит следующим образом (рис. 6).

Рис. 6. Реакция β-распада тория

Обратим внимание, что массовое число электрона, которое равно в реакции нулю, не означает, что он не имеет массы. Просто масса электрона настолько мала по сравнению с одной атомной единицей массы, что ей можно пренебречь в записях ядерных реакций.

 

---

Составление реакций распада по правилам смещения

Посмотрим на применение правил смещения при α/β-распаде на примере следующей задачи.

Радиоактивный атом тория  превратился в атом висмута . Сколько произошло радиоактивных α- и β-распадов в ходе этого превращения?

Решение: запишем одновременно правила смещения для α- и β-распадов.

Предположим, α-распадов произошло n, а β-распадов – m, т. е. вылетело n ядер гелия и m быстрых электронов:

Учитывая закон сохранения верхних и нижних индексов, можем записать систему уравнений:

Ответ: произошло 5α-распадов и 3 β-распада.

---

 

 

Заключение

 

 

На уроке мы выяснили предпосылки к возникновению утверждения об изменении ядер элементов в ходе радиоактивных превращений. Выяснили, какие существуют правила составления ядерных реакций, а также поговорили о правилах смещения для радиоактивных распадов.

 

 

Список литературы

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
2. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики, т. 2., – М., Физматлит., 2003.
3. Элементарный учебник физики. Под ред. Г. С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «school-collection.edu.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «doc4web.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?
2. На примере реакции  α-распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.
3. Какая часть атома – ядро или электронная оболочка – претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?