Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 45. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду

Ви вже знаєте, що радіоактивність — це явище, яке свідчить про складну будову атомного ядра. Слід згадати, що рентгенівські промені вперше було одержано внаслідок зіткнення швидких електронів з антикатодом розрядної трубки. Анрі Беккерель (1852-1908) довго досліджував споріднене явище — після свічення речовин, які перед тим були опромінені сонячним світлом. До таких речовин, зокрема, належать солі урану, з якими він експериментував.

А чи не виникають після опромінення солей урану разом з видимим світлом і рентгенівські промені?

Беккерель загорнув фотопластинку в цупкий чорний папір, зверху поклав шматочки уранової солі і виставив це на яскраве сонячне світло. Під час проявлення пластинка почорніла на тих місцях, де лежала сіль. Отже, уран випускає промені, які, подібно до рентгенівських, пронизують непрозорі тіла і діють на фотопластинку. Учений вважав, що таке випромінювання виникає під впливом сонячного світла. Однак у лютому 1896 р. Беккерелю не вдалося зробити черговий дослід, і він поклав пластинку, на якій лежав мідний хрест, вкритий сіллю урану, у ящик стола. Проявивши пластинку через два дні, він виявив на ній почорніння у вигляді виразної тіні хреста. Це означало, що солі урану спонтанно, без впливу зовнішніх чинників, утворюють якесь проміння.

Незабаром Беккерель виявив, що промені уранової солі йонізують повітря так само, як і рентгенівські, і тому розряджають електроскоп. Випробовуючи різні хімічні сполуки урану, він установив дуже важливий факт: інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті і зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Отже, це властивість не сполук, а хімічного елемента урану, його атомів.

У 1898 р. у Франції Марія Склодовська-Кюрі (18671934) разом з колегами виявили випромінювання торію. Особливо плідною в пошуках нових елементів виявилася праця подружжя Марії і П’єра Кюрі (1859-1906). Систематичне дослідження руд, що містять уран і торій, дало їм змогу виділити новий, ще невідомий хімічний елемент Полоній, названий так на честь батьківщини Марії Склодовської-Кюрі — Польщі.

Марія Склодовська-Кюрі

Згодом відкрили ще один елемент, якому властиве дуже інтенсивне випромінювання. Його назвали Радієм (тобто променистим). Саме явище спонтанного випромінювання подружжя Кюрі назвало радіоактивністю.

Після відкриття радіоактивних елементів почалося дослідження фізичної природи їхнього проміння. Над цим питанням почав працювати й Резерфорд.

Розглянемо дослід, який допоміг виявити склад радіоактивного випромінювання. Радіоактивний препарат вміщували на дно вузького каналу в шматку свинцю. Проти каналу розміщували фотопластинку. На проміння, яке виходило з каналу, діяли сильним магнітним полем (мал. 3.22), перпендикулярним до нього. Усю установку розміщували у вакуумі.

Мал. 3.22

Якщо не було магнітного поля, то на проявленій пластинці виявляли одну тільки темну пляму, точно проти каналу. У магнітному полі пучок розпадався на три пучки.

Дві складові первинного потоку відхилялись у протилежні боки. Це переконливо вказувало на те, що вони мають електричні заряди протилежних знаків. При цьому негативну складову проміння магнітне поле відхиляло значно більше, ніж позитивну. Третю складову магнітне поле не відхиляло. Позитивно заряджена складова випромінювання отримала назву «альфа-випромінювання», негативно заряджена — «бета-випромінювання», а нейтральна — «гамма-випромінювання» (α-промені, β-промені, γ-промені).

Ці три види випромінювання дуже різняться між собою за проникною здатністю, тобто за тим, наскільки інтенсивно їх поглинають різні речовини. Найменшу проникну здатність мають α-промені. Шар паперу товщиною близько 0,1 мм для них уже непрозорий. Якщо отвір у свинцевій пластинці прикрити аркушиком паперу, то на фотопластинці не буде плями, що відповідає α-променям.

Значно менше поглинають речовини β-промені. Алюмінієва пластинка затримує їх цілком лише тоді, коли її товщина кілька міліметрів. Найбільшу проникну здатність мають γ-промені. Інтенсивність їх поглинання збільшується зі зростанням атомного номера речовини-поглинача. Але й шар свинцю завтовшки 1 см — не перешкода для цих променів. Від проходження крізь таку пластинку їхня інтенсивність зменшується лише вдвічі. Це пов’язано з тим, що фізична природа α-, β- і γ-променів різна.

Альберт Ейнштейн (1879-1955) і Фредерік Содді (1887-1956) встановили, що атомам деяких елементів властивий спонтанний розпад, який супроводжується випромінюванням величезної кількості енергії порівняно з енергією, яка вивільняється в процесі звичайних молекулярних видозмін.

Після того як було відкрито атомне ядро, відразу стало зрозуміло, що саме воно зазнає змін під час радіоактивних перетворень. Адже α-частинок узагалі немає в електронній оболонці, а зменшення кількості електронів оболонки на одиницю перетворює атом в йон, а не на новий хімічний елемент. Виліт електрона з ядра змінює заряд ядра (збільшує його) на одиницю.

Спонтанне перетворення одних ядер в інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок, отримало назву радіоактивність.

Перетворення ядер відбуваються за так званим правилом зміщення, яке вперше сформулював Содді:

під час α-розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е, і маса його зменшується приблизно на 4 о. а. м. Отже, елемент зміщується на 2 клітинки до початку Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва.

Символічно це можна записати так: AZX → A-4Z-2Y + 42He.

У випадку β-розпаду з ядра вилітає електрон. Тому заряд ядра збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною: AZX → AZ+1Y + 0-1e.

Після β-розпаду елемент зміщується на одну клітинку ближче до кінця Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва.

Під час γ-випромінювання не відбувається зміни заряду; маса ядра змінюється надзвичайно мало.

Правила зміщення показують, що під час радіоактивного розпаду зберігається електричний заряд і наближено зберігається відносна атомна маса ядер. Нові ядра, що утворюються під час радіоактивного розпаду, звичайно, також є радіоактивними.

Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, Резерфорд експериментально встановив, що їхня активність із часом зменшується. Так, активність радону зменшується в 2 рази вже через 1 хв. Активність таких елементів, як Уран, Торій і Радій, також із часом зменшується, але значно повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується удвічі. Цей інтервал називають періодом піврозпаду.

Період піврозпаду Т — це той час, за який розпадається половина всієї кількості наявних радіоактивних атомів.

Адже зменшення активності препарату вдвічі можна досягти простим поділом його на дві рівні частини.

Графік спаду активності, тобто кількості розпадів за секунду, залежно від часу для однієї з активних речовин наведено на малюнку 3.23, період піврозпаду цієї речовини — 5 діб.

Мал. 3.23

Знайдемо тепер математичну формулу закону радіоактивного розпаду. Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу (t = 0) дорівнює N0. Тоді після закінчення періоду піврозпаду їхня кількість дорівнюватиме N0 : 2, а ще через один такий інтервал часу їхня кількість становитиме:

Через інтервал часу t = nT, тобто через n періодів піврозпаду T, радіоактивних атомів залишиться

Оскільки

Це і є основний закон радіоактивного розпаду.

За формулою

знаходять кількість атомів, які ще не розпалися, для будь-якого моменту часу.

Період піврозпаду — основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Що менший період піврозпаду, то менший час життя атомів і швидше відбувається розпад. Для різних речовин значення його дуже різняться. Так, для урану 23992U період піврозпаду — 4,5 млрд років. Саме через це активність урану за кілька років помітно не змінюється. Для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно більша, ніж урану. Що менший період піврозпаду, то інтенсивніше відбувається розпад. Є радіоактивні елементи, у яких період піврозпаду становить мільйонні частки секунди.

Закон радіоактивного розпаду — це статистичний закон. Він справджується в середньому для великої кількості частинок.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке радіоактивність?
  • 2. Які види випромінювання ви знаєте?
  • 3. Хто сформулював правила зміщення?
  • 4. Що таке період піврозпаду?
  • 5. У чому полягає закон радіоактивного розпаду?