УРОК 3 (4 ч)
Виды радиоактивного распада.
Существует три основных вида самопроизвольных ядерных превращений.
1. α -распад. Ядро испускает α -частицу, которая представляет собой ядро атома гелия 4Не и состоит из двух протонов и двух нейтронов. При α -распаде массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра - на 2:
2. β -распад. В неустойчивом ядре нейтрон превращается в протон, при этом ядро испускает электрон (α -частицу) и антинейтрино:
При β-распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на1:
3. γ - распад. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и очень высокой частотой (γ -излучение), при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд ядра остаются неизменными.
Радиоактивные превращения.
Ядерные реакции — это превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом. Написание уравнений таких реакций основано на законах сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения:
Это уравнение показывает, что при взаимодействии атома алюминия с α -частицей образуются атом кремния и протон.
Более употребительна краткая запись ядерных реакций. Вначале записывают химический знак исходного ядра, затем (в скобках) кратко обозначают частицу, вызвавшую реакцию, и частицу, образовавшуюся в результате реакции, после чего ставят химический знак конечного ядра. При этом у символов исходного и конечного ядер обычно проставляются только массовые числа, так как заряды ядер легко определять по периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Сокращенная запись рассмотренных ранее ядерных реакций следующая:
где α — обозначение α -частицы (42Не); р — протона (11Н); черточка означает отсутствие действующей частицы в случае радиоактивного распада.
Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объясняется неразрушимость ядер атомов при протекании химических реакций.
Скорость радиоактивного распада.
Период полураспада. Скорости распада радиоактивных элементов сильно отличаются от одного элемента к другому и не зависят от внешних условий, таких, например, как температура (в этом состоит важное отличие ядерных реакций от обычных химических превращений). Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада Т1/2, т. е. временем, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества. Для разных элементов период полураспада имеет сильно отличающиеся значения. Так, для урана 238U период полураспада Т1/2 = 4,5 109 лет. Именно поэтому активность урана в течение нескольких лет заметно не меняется. Для радия 226Ra период полураспада Т1/2= 1600 лет, поэтому и активность радия больше, чем урана. Ясно, что чем меньше период полураспада, тем быстрее протекает радиоактивный распад. Для разных элементов период полураспада может изменяться от миллионных долей секунды до миллиардов лет.
На примере естественного распада урана 238U показаны превращения, которые через промежуточные радиоактивные элементы приводят к устойчивому элементу — свинцу 206Рb. Схема хорошо иллюстрирует различие в периодах полураспада Т1/2 для различных элементов (периоды полураспада даны внизу под стрелкой, частицы, испускаемые радиоактивными элементами, — над стрелкой).
Уравнение радиоактивного распада. Математическое уравнение, описывающее закон радиоактивного распада, связывает значение массы m(t)радиоактивного изотопа в момент времени t с начальной массой m0:
Кроме приведенного на рисунке естественного ряда радиоактивных элементов (так называемого ряда урана), известны еще два других естественных ряда — это ряд актиния, начинающийся с 235U и заканчивающийся 208Рb, и ряд тория, начинающийся с 232Тh и заканчивающийся 208Рb. Существует еще и четвертый ряд радиоактивных изотопов, этот ряд получен искусственно.
Искусственные превращения, ядерный синтез. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом путем бомбардировки атомов азота частицами:
В настоящее время, чтобы осуществить искусственные превращения, чаще используют протоны или нейтроны, например:
В ядерных реакциях (в случае естественного или искусственного превращения элементов) сумма атомных масс (сумма индексов слева вверху) реагентов и продуктов всегда одинакова. Это относится и к зарядам ядер (индексы слева внизу, которые часто опускаются).
В 1930 г. был создан первый в мире циклотрон (ускоритель элементарных частиц — “снарядов” для бомбардировки ядер атомов), после чего было открыто и изучено множество разнообразных ядерных реакций. В настоящее время специальная область химии, ядерная химия, занимается изучением превращений элементов.
Особую важность представлял синтез неизвестных ранее элементов: технеция, франция, астата и др., а также всех трансурановых элементов (элементов, порядковый номер которых превышает 92). В настоящее время получено 17 трансурановых элементов (от Z = 93 до Z = 109 включительно). Работы в этой области проводятся в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Там впервые были синтезированы элементы с порядковыми номерами 102, 103, 104, 105, 106, 107. Ведутся работы по синтезу элементов с более тяжелыми ядрами.