Есть открытия, которые изменили мир, но оказались очень вредны для человека — например, радиация. Рассказываем, как ученые исследовали это явление, когда еще ничего о нем не знали.
Опытным путем: из 8 тонн руды 0,1 грамма радия
В этот день 125 лет назад, 2 марта 1896 года, в Парижской академии наук впервые прозвучал доклад «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами». Докладчиком и первооткрывателем был французский физик Анри Беккерель. Будущей исследовательнице радиоактивности Марии Кюри на тот момент было 28 лет. Ей и всему человечеству еще только предстояло узнать, как радиация влияет на живые организмы.
125 лет назад Анри Беккерель находился под впечатлением недавнего открытия Рентгена и ставил опыты с солями урана, чтобы выяснить, не сопровождается ли люминесценция рентгеновскими лучами. Одно из соединений солей урана, которое красочно фосфоресцировало зелено-желтым светом, ученый подставил под солнечный свет, затем завернул в темную бумагу и положил в шкаф на фотопластинку, также обернутую бумагой. После проявления на пластинке появилось изображение куска соли. Но Беккерель знал, что люминесцентное излучение не проходит через черную бумагу. Так что же это за спецэффект? Нечто новое, а именно — «невидимая радиация». Ученый поспешил поделиться своим открытием со знакомыми — парой супругов-физиков Кюри.
Мария Склодовская-Кюри — уроженка Российской империи, выпускница Сорбонны, жена французского физика Пьера Кюри — как раз искала тему для диссертации. Знакомство с Беккерелем и его работой оказалось для нее судьбоносным: с 1898 года Мария и Пьер начали свои опыты с радиацией. Так как университет отказался предоставить им лабораторию, исследованиями они занимались в старом сарае при Школе промышленной физики и химии в Париже.
«Я могу сказать без преувеличения, что этот период был для меня и моего мужа героической эпохой в нашей совместной жизни, — вспоминала Мария Кюри. — Нередко я готовила какую-нибудь пищу тут же, чтобы не прерывать ход особо важной операции».
Четыре года Кюри настойчиво пытались выяснить, только ли уран обладает свойствами радиоактивности или есть еще какие-то неизвестные вещества. Им не помешало даже рождение дочери в сентябре 1897 года: они поручили ее заботам дедушки и продолжали трудиться в сарае, перебирая разнообразные материалы и тестируя их на радиоактивность. В одном из опытов Кюри выявили некое загадочное вещество, которое имело в 400 раз более сильную радиоактивность, чем чистый уран. В 1898 году они открыли и назвали два радиоактивных элемента: полоний и радий.
Это звучит просто, но попробуйте представить. Концентрация радия в урановой смоляной руде — в 4000 раз ниже концентрации полония. Чтобы выделить 0,1 грамма хлорида радия в 1902 году, супругам пришлось переработать 8 тонн (!) настурана с металлургической фабрики Йоахимсталя, которые к их сараю доставили бесплатно при содействии правительства Австро-Венгрии и Венской академии наук. Хрупкая женщина Мария Кюри вручную перетаскивала руду в гигантские котлы и нагревала порциями по 20 кг.
«Иногда весь день я перемешивала кипящую массу железным шкворнем длиной почти в мой рост. Вечером я валилась от усталости. Но как раз в этом дрянном сарае прошли лучшие и счастливейшие годы нашей жизни, всецело посвященные работе», — вспоминала Мария Кюри. На фото ниже — семейство Кюри образца 1902 года.
Крыша сарая протекала, зимой помещение не отапливалось, но результат того стоил. Мария Кюри вошла в историю науки как первая женщина, получившая Нобелевскую премию, и единственная из женщин, получившая ее дважды: в 1903 году по физике и в 1911-м по химии.
Нобелевский комитет изначально хотел наградить лишь Пьера Кюри с Анри Беккерелем, но разгневанный муж-ученый указал на эту несправедливость: «Мне бы хотелось, чтобы мои труды в области исследования радиоактивных тел рассматривали вместе с деятельностью госпожи Кюри. Действительно, именно ее работа определила открытие новых веществ, и ее вклад в это открытие огромен (также она определила атомную массу радия)». Мария Кюри получила не только мировую славу и премию, но и,наконец-то собственную лабораторию, а заодно и ванную в квартиру. В 1903 году она защитила диссертацию по теме «Исследование радиоактивных веществ». Сегодня ее многолетнюю научную работу специалисты называют растянутым во времени самоубийством.
Радиация, испытанная на себе
Тревожные звоночки об опасности радиации поступали, но игнорировались супругами Кюри. Так, в апреле 1902 года Анри Беккерель выпросил у супругов вещество для лекции (хлорид бария BaCl2) и положил герметично закрытую стеклянную трубочку в карман жилетки. Так он проходил шесть часов, а через десять дней после конференции в месте, где была пробирка, у него появилось красное пятно. Когда оно превратилось в язву, ученый поделился этим «случайным» открытием с Кюри со словами: «Я очень люблю радий, но я на него в обиде». Язву лечили как обычный ожог, и она хоть и прошла, но оставила рубец на теле. Так человек, открывший радиацию, стал и первым пострадавшим от ее действия. Случай подробно описан в биографической книге об Анри Беккереле.
Пьер Кюри повторил опыт на себе: он нарочно носил пробирку с радием и вскоре обнаружил ожог. На ужине в честь защиты диссертации супруги он демонстрировал гостям колбу со светящейся солью радия и признавался, что она висит в их спальне вместо ночника. Кюри нравился необычный эффект: если 10 минут подержать колбу в руке, получается легкий ожог. О том, что радий может быть опасен, ученые еще долго не догадывались. В те времена среди химиков было принято пробовать новые вещества на вкус, и Мария Кюри беззаботно работала с убийственными материалами даже во время беременности: ее второй ребенок родился раньше срока и вскоре умер (третья дочь прожила 102 года и была личным библиографом матери). Пьер Кюри успел понять опасность радиации в опыте на мышах, прежде чем погиб под колесами конного экипажа в 1906 году.
В начале XX века не было ни защитной одежды, ни специальных приборов для регистрации излучения. Но медицина уже тогда стала искать применение открытию радия. В России начало радиотерапии положила лично Мария Кюри. В 1903 году она познакомилась с Владимиром Зыковым, заместителем директора первой в Европе раковой лечебницы — будущего Московского НИИ онкологии им. Герцена. Кюри передала Зыкову несколько миллиграммов радия, и именно с них началась российская лучевая терапия, которая по большому счету с тех пор не изменилась (об этом рассказывается в фильме канала «Доктор» «Мари Кюри: сгоревшая заживо»). Во Франции этот метод назывался кюритерапией: облучением радия стали лечить волчанку, стригущий лишай и рак. Кюри как единица измерения радиоактивности была введена в употребление в 1910 году на Международном конгрессе по радиологии и электричеству в Брюсселе.
Первые успехи в лечении опухолей посредством радиации породили всеобщий ажиотаж: публика увидела в радии источник вечной жизни. Радий стали рекламировать как панацею от всех болезней. Выпускались пищевые продукты, косметика и даже часы с радием. В 1924 году на фабрике в Нью-Джерси (США) по производству светящихся часов началась вспышка лучевой болезни среди работниц, которые наносили краску с радием на циферблат и облизывали кисточки для точного мазка. У девушек выпали зубы, челюсти превратились в труху, десять работниц умерли, остальным после суда назначили пенсию по инвалидности.
Сама Мария Склодовская-Кюри умерла от радиационной апластической анемии в 1934 году в возрасте 66 лет, не дожив всего год до того, как ее старшая дочь с зятем получили Нобелевскую премию по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Похоронили Марию Кюри с особыми предосторожностями. Деревянный гроб поместили в свинцовый и затем во второй деревянный. Когда в 1995 году ее саркофаг переносили в парижский Пантеон, то обнаружили колоссальное излучение, которое было в 30 раз выше, чем фоновое значение.
Прошло более 100 лет, а вещи Марии Кюри все еще опасно радиоактивны. Ее книги, дневники, письма с конца 1960-х годов хранятся в свинцовых коробках в Национальной библиотеке Парижа. К записям нельзя прикасаться без защитного снаряжения еще 1500 лет (период полураспада радия-226 — около 1600 лет). На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.
10 выдающихся женщин-ученых
7 случайных изобретений
Что ждет науку в 2021 году?
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Как измеряют радиоактивность?
Радиоактивное излучение не воспринимается напрямую нашими органами чувств. Но его можно обнаружить и измерить по косвенным признакам.
Методы обнаружения основаны на том факте, что излучение оставляет след или задерживается в той материи, через которую проходит. Специальные приборы – детекторы, используемые сегодня, имеют разную физическую основу (газовые, сцинтилляционные, полупроводниковые счетчики), но они используют один и тот же принцип: переводят фотоны, электроны или альфа-частицы излучения, в электрический сигнал, чтобы рассчитать количество распадов или иными словами количество беккерелей.
Несмотря на то, что 1 беккерель – это чрезвычайно маленькая радиоактивность, измерительные приборы, которыми располагает человечество, в большинстве случаев достаточно чувствительны, чтобы обнаружить радиоактивность.
Радиоактивность можно измерить как в лаборатории, так и с помощью переносных аппаратов, предназначенных для регистрации конкретного типа излучения.
Единицы измерения радиоактивности
Беккерель, грей и зиверт – три единицы, в которых измеряют радиоактивность, ее энергию и ее воздействие соответственно.
Как уже упоминалось, активность в беккерелях (Бк) равна числу атомов, распадающихся за секунду (1 Бк соответствует распаду одного атома за секунду). Ранее для обозначения числа распадов использовалась единица кюри – соответствующая тридцати семи миллиардам распадов за секунду, названная в честь первооткрывателей радия — Пьера и Марии Кюри.
Грей (Гр) – единица измерения количества энергии, которое выделятся в веществе при воздействии излучения. 1 Гр соответствует тому, что вещество получило один джоуль энергии в расчете на один килограмм массы, и определяет поглощённую дозу. Ранее использовалась единица «рад».
Зиверт (Зв) – единица биологического воздействия на организм в зависимости от типа излучения. 1 зиверт – это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощённой дозе гамма-излучения в 1 Гр. Эквивалентная доза, характеризующая биологический эффект облучения организма ионизирующим излучением, измеряется в Зивертах. Прежде использовалась единица Бер, составляющая 1 сотую Зиверта.
| Измеряемая величина | Определение | Единица измерения |
| Радиоактивность | Количество распадов в секунду | Беккерель (Бк) |
| Поглощенная доза | Количество энергии, полученное материей от излучения | Грей (Гр) |
| Эквивалентная доза | Воздействие излучения на организм | Зиверт (Зв) |
Радиоактивность
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 625.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 625.
Одним из важных доказательств сложного состава атомного ядра является радиоактивность. Рассмотрим это явление подробнее.
Открытие радиоактивности
Радиоактивность была открыта в конце XIXв физиком А.Беккерелем. Он изучал явление послесвечения солей урана после облучения их солнечными лучами.
В один из пасмурных дней, Беккерель случайно обнаружил, что соли урана оставляют след на фотопластинке, даже тогда, когда они не облучаются солнцем. Вскоре подтвердилось, что соли урана сами, без облучения, выделяют какие-то невидимые лучи. При этом интенсивность излучения зависела исключительно от количества урана в пробе, никакие химические воздействия на излучение не влияли. Это говорило о том, что открытое излучение имеет не химическую природу, а свойственно самим атомам урана. В дальнейшем выяснилось, что таким же свойством обладают все элементы с порядковым номером более 83.
Способность излучать невидимые лучи была названа радиоактивностью.
Радиоактивные превращения
Опыты показали, что радиоактивные вещества не только излучают невидимые лучи, но и постоянно выделяют энергию. Например, 1г радия каждый час выделяет около 500 Дж тепла. Этой энергии хватит, чтобы нагреть 1 г воды от нуля градусов до кипения ! И эта энергия выделяется «ниоткуда» долгое время, не уменьшаясь. Это говорило о том, что в радиоактивном веществе происходят серьезные изменения.
Дальнейшие исследования подтвердили это предположение. Выяснилось, что атомы радиоактивного вещества, которые в то время считались неделимыми и неизменными, на самом деле серьезно меняются. В пробе чистого радиоактивного вещества со временем начинает появляться совсем другое вещество, существенно отличающееся по физическим и химическим свойствам от первоначального. При этом и это новое вещество может быть радиоактивным, и в свою очередь также может выделять энергию и невидимые лучи, превращаясь в третье вещество, отличающееся от двух первых. Таким образом, образуются целые ряды радиоактивных веществ, превращающихся одно в другое.
Состав невидимых лучей
При изучении невидимых радиоактивных лучей выяснилось, что они имеют сложный состав, и могут быть разделены с помощью магнитного поля. Поскольку магнитное поле действует на движущиеся заряды, было ясно, что излучение состоит частиц разных типов с разным знаком заряда.
Положительно заряженные тяжелые частицы, входящие в состав радиоактивных лучей были названы α-частицами. Исследования показали, что масса этих частиц вчетверо больше, чем масса атома водорода, а заряд – вдвое больше. Стало ясно, что α-частицы, фактически, являются ядрами гелия.
Отрицательно заряженные частицы были названы β-частицами. Исследования показали, что это электроны.
Нейтральная часть радиоактивных лучей, названная γ-частицами по всем признакам соответствовала электромагнитному излучению очень большой проникающей способности с малой длиной волны.
Понятие радиоактивности заключается в способности атомов радиоактивного вещества испытывать спонтанный распад. При этом из атомов вылетают «осколки» разных видов, и кроме того, выделяется энергия – тепловая и лучистая.
Период полураспада
Важным свойством радиоактивного распада была его постоянная скорость, своя для каждого вещества, зависящая только от начального количества пробы. Чтобы характеризовать эту скорость было введено понятие периода полураспада.
Период полураспада $T$ – это время, за которое распадается половина исходного радиоактивного вещества. Для определения числа атомов, остающихся в веществе спустя заданное время $t$, в теории радиоактивности используют формулу радиоактивного распада:
$$N=N_0×2^{-{tover T}}$$
Периоды распада радиоактивных веществ колеблются в очень широких пределах, например, Литий-4 распадается за $10^{-22}$ с ! Даже свет за такое время проходит расстояние меньше размера атома. Наибольший измеренный период полураспада имеет Теллур-128 – более $2×10^{24}$ лет, это в сто триллионов раз больше, чем возраст Вселенной.
Что мы узнали?
Радиоактивность – это способность атомов вещества распадаться, превращаясь в атомы другого вещества. При этом из атома вылетают «осколки» разных видов – α и β-частицы, а кроме того, выделяется тепловая и лучистая энергия. Период, за который распадается половина исходного вещества называется периодом полураспада.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Лариса Кияева
10/10
-
Кирилл Лебедев
9/10
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 625.
А какая ваша оценка?
Радиоактивность — некоторых атомных ядер превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы и электромагнитное излучение.
Как была открыта радиоактивность
Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он изучал урановые соли, когда впервые столкнулся с необычным явлением. В феврале 1896 года Беккерель подготовил несколько кристаллов урановой соли и закрепил их на фотопластинки, завернутые в бумагу. Но затем он заметил, что погода слишком пасмурная, и решил провести опыт в другое время. По его мнению, для его проведения нужен был более яркий солнечный свет.
Фоточувствительные пластины ученый спрятал в темный ящик стола. Там они пролежали несколько суток. Когда погода прояснилась, Беккерель захотел проявить эти пластинки. Он рассчитывал увидеть на них слабые изображения. Но каким было его удивление, когда он увидел очень четкие изображения. Так ученый обнаружил, что соли урана могут излучать без всякого светового воздействия извне.
Продолжив изучение урановых солей, Беккерелю так и не удалось понять природу необычного излучения. Однажды ученый задал вопрос Пьеру Кюри, которому продемонстрирован опыт с урановой солью: «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль». Далее это явление стали изучать Пьер Кюри и его жена Мария Склодовская-Кюри. Спустя 2 года супругам удалось обнаружить еще два химических элемента, которые обладали похожими свойствами. Ими оказались полоний и радий.
Радий — элемент, который на Земле встречается очень редкою. Чтобы получить 1 грамм чистого радия, нужно переработать не менее 5 тонн урановой руды. Причем радиоактивность этого вещества в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Лишь несколько лет спустя было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Изучая самопроизвольное излучение этих элементов, супруги Кюри дали ему название — радиоактивность.
Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений
Изучением радиоактивного излучения также занимался английский физик Эрнест Резерфорд. Он первый поставил эксперимент, который позволил обнаружить сложный состав этого излучения. Ученый собрал установку, изображенную на рисунке ниже.
Резерфорд поместил препарат радия на дно узкого канала в куске свинца. Напротив открытого конца канала он расположил фоточувствительную пластинку. В результате излучение от радия исходила из канала и попадало на эту пластинку. Но ученый расположил магнит так, что излучающимся частицам приходилось проходить сквозь созданное им магнитное поле. Для чистоты эксперимента вся установка помещалась в сосуд с откачанным воздухом (в вакуум).
Если магнит убрать, то на фотопластинке обнаруживалось лишь одно темное пятно напротив канала. Но если вернуть магнит на место, то пучок распадается на 3 части. Причем одна часть первичного потока сохранила свое направление (пятно получилось напротив пластинки), а две другие его составляющие отклонялись в противоположные стороны.
Как это можно объяснить? Известно, что в магнитом поле меняют свое направление движения только заряженные частицы. Следовательно, опыт продемонстрировал наличие электрических зарядом у двух пучков (у одного из них заряд оказался нейтральным, так как направление изменено не было). Узнать знак этих пучков можно, применив правило левой руки. Так, один из них оказался положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным.
Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения. Их разделили на 3 вида и дали им следующие названия:
- Альфа-излучение — поток положительно заряженных α-частиц. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия (ядра гелия), летящие со скоростью 14–20 тыс. км/с.
- Бета-излучение — поток отрицательно заряженных β-частиц, или электронов. Они летят со скоростью, приближенной к скорости света (около 0,999c).
- Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов.
В чем же заключается физическая сущность явления радиоактивности? Чтобы ответить на вопрос, нужно провести исследование самого радиоактивного вещества.
Опыты по изучению радиоактивности, проводимые Резерфордом вместе с английским ученым Ф. Содди, дали понять, что во время радиоактивного излучения исходный химический элемент превращается в другое химический элемент. Такое превращение ученые назвали радиоактивным распадом.
Радиоактивный распад — превращение радиоактивного вещества в другой химический элемент, сопровождающееся радиоактивным излучением.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.
Виды распадов:
- α-распад. Ядро теряет одну α-частицу, в результате чего оно теряет массу, равную 4 атомным единицам массы (а.е.м.). При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 2 клетки к началу периодической системы Менделеева.
Символически α-распад можно записать так:
MZX→M−4Z−2Y+42He
MZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, M−4Z−2Y — новый химический элемент с массовым числом (M–4) и зарядовым числом (Z–2), 42He — излучаемая α-частица.
- β-распад. Ядро теряет одну β-частицу (электрон), в результате чего он меняет заряд на 1 единицу, а его масса почти не изменяется. При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 1 клетку к концу периодической системы Менделеева.
Символически β -распад можно записать так:
MZX→MZ+1Y+0−1e
MZX — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, MZ+1Y — новый химический элемент с массовым числом M и зарядовым числом (Z+1), 0−1e — излучаемый электрон.
Внимание! Фактически при β-распаде один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона.
- γ-распад. Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется.
Пример №1. Записать правило α-распада вещества 23892U.
Для записи формулы используем формулу:
MZX→M−4Z−2Y+42He
Зарядовое число уменьшится на 2: 92–2 = 90. Этому порядковому номеру соответствует вещество торий.
Массовое число уменьшится на 4: 238–4 = 234.
Следовательно:
23892U→23490Th+42He
Закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.
Период полураспада — промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер.
К примеру, если в некоторый момент времени вещество состоит из N ядер, то через время T, равное периоду полураспада ядер, останется N/2 ядер. В таком случае, через время, равное 2T останется еще вдвое меньше ядер — N/2. И т.д.
Эту закономерность можно записать в виде формулы, которая получила название закона радиоактивного распада:
N=N0·2−tT
N — число ядер в момент времени t, N0 — исходное число ядер, T — период полураспада.
Период полураспада зависит от рода вещества. У урана 23892U он составляет 4,5 млрд лет. У радия — 1,6 тыс. лет. Существуют химические элементы с периодом полураспада, составляющим миллионные доли секунды.
Пример №2. Период полураспада радия составляет 1600 лет. Через какое время число атомов уменьшится в 4 раза?
Для вычислений применим формулу:
N=N0·2−tT
Известно, что:
N0=4N
Следовательно:
N=4N·2−tT
1=4·2−tT
14=2−tT
2−2=2−tT
−tT=−2
По условию задачи период полураспада равен 1600. Следовательно:
−t1600=−2
t=2·1600=3200 (лет)
Задание EF17501
Дан график зависимости числа нераспавшихся ядер висмута 20383Bi от времени. Каков период полураспада этого изотопа?
Ответ:
а) 500 мин
б) 750 мин
в) 1000 мин
г) 1200 мин
Алгоритм решения
- Взять на рисунке любые 2 точки графика так, чтобы количества ядер вещества различалось в них вдвое.
- Определить для этих точек соответствующее время.
- Определить период полураспада.
Решение
Возьмем на графике точки, соответствующие 10∙1020 и 20∙1020 ядер вещества. Поскольку их количество изменилось вдвое, то разница во времени между этими точками и будет периодом полураспада. Время, соответствующее 20∙1020, равно около 500 минут. Для 10∙1020 оно составляет около 1250 минут. Следовательно, период полураспада составляет 1250 – 500 = 750 минут.
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17552
Пациенту ввели внутривенно дозу раствора, содержащего изотоп 1124 Na. Активность 1 см3 этого раствора а0 = 2000 распадов в секунду. Период полураспада изотопа 1124 Na равен T = 15,3 ч. Через t = 3 ч 50 мин активность 1 см3 крови пациента стала а = 0,28 распадов в секунду. Каков объём введённого раствора, если общий объём крови пациента V = 6 л? Переходом ядер изотопа 1124 Na из крови в другие ткани организма пренебречь. Ответ записать в куб. см.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в удобные для задачи измерения.
2.Записать закон радиоактивного распада.
3.Переписать закон радиоактивного распада применительно к условию задачи.
4.Выполнить решение в общем виде.
5.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Активность 1 куб. см введенного раствора: a0 = 2000 распадов/с.
• Период полураспада изотопа натрия: T = 15,3 ч.
• Время измерения активности крови пациента: t = 3 ч. 50 мин.
• Активность 1 куб. см крови пациента в момент времени t: a = 0,28 распадов/с.
• Объем крови пациента: V = 6 л.
Переведем объем крови пациента в кубические сантиметры, так как активность раствора и крови рассчитывается на 1 куб. см:
6 л = 6000 куб. см
Период полураспада и время переведем в секунды:
15,3 ч = 15,3∙60∙60 = 55080 с
3 ч. 50 мин = 3∙60∙60 + 50∙60 = 13800 с
Запишем закон радиоактивного полураспада:N=N0·2−tT
Объем введенного раствора обозначим за V0. Изначально активность всего объема крови пациента будет равна активности введенного раствора. Следовательно:
at=0=a0(V01 см3)
Тогда активность 1 куб. см крови в начальный момент времени будет равна:
a1=a0(V01 см3)(1 см3V)=a0V0V
По закону радиоактивного распада по прошествии времени t активность 1 куб. см крови станет равной:
a=a1·2−tT
Подставим сюда найденное раннее выражение:
a=a0V0V·2−tT
Выразим объем раствора:
a=a0V0V·2−tT
V0=aVa02−tT=aV2tTa0
Вычислим:
Ответ: 1
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18114
Из какого ядра в результате двух последовательных α-распадов образуется ядро 84216 Po?
Ответ:
Алгоритм решения
- Установить, какие величины меняются при альфа-распаде вещества.
- Установить характер их изменений.
- Выяснить, какое вещество может дать данный изотоп полония при двойном альфа-распаде.
Решение
Когда вещество претерпевает альфа-распад, образуется новое ядро и выделяется альфа-частица — ядро гелия. Эта частица имеет зарядовое число 2. Поэтому новое ядро будет иметь заряд, меньший на 2 единицы. Если же произойдет 2 распада подряд, то во втором случае зарядовое число будет меньше на 4 единицы. Полоний в нашем случае — продукт двойного распада. Его зарядовое число — 84. Следовательно, у начального элемента заряд был равен на 4 единицы больше: Z = 84 + 4 = 88. Нам подходит радий, имеющий такое зарядовое число.
Ответ: в
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 2.2k
Содержание:
- Альфа-распад
- Бета-распад
- Гамма-распад
- Закон радиоактивного распада
Среди 2500 известных атомных ядер больше 90% нестабильны.
Определение 1
Радиоактивность —способность одних ядер атомов, нестабильных, самопроизвольно преобразовываться в другие ядра. В процессе превращения происходит испускание частиц.
Нестабильность больших ядер появляется из-за двух типов взаимодействия: притяжения нуклонов за счёт ядерных сил и кулоновского отталкивания протонов. Число Z (количество протонов) и число А (общая сумма количества нейтронов и протонов) хорошо характеризуют свойства ядер, среди которых не существует стабильных при значениях Z>83 и А<209. Но радиоактивными не обязательно будут только эти ядра, свойство радиоактивности может наблюдаться и у веществ со значительно меньшими значениями A, Z.
Для ядра, в котором протонов больше чем нейтронов, нестабильность вызывается избыточной энергией кулоновского взаимодействия. В других ядрах, где количество нейтронов превышает число протонов, избыток энергии появляется из-за разницы масс нейтронов и протонов. Чем больше масса ядра, тем больше его энергия.
Радиоактивность, как явление, была впервые обнаружена в 1896 году А. Беккерелем. Физик установил, что соли урана создают неизвестное излучение. Оно способно проходить сквозь преграды, проникать через препятствия из непрозрачных материалов. Также, действие излучения в его опытах вызывало почернение фотоэмульсии.
Вскоре, всего через два года, аналогичные свойства — способность испускать излучение — были обнаружены у таких элементов, как полоний и радий. Открытие принадлежит французским физикам Марии и Пьеру Кюри.
В последствие к изучению нового свойства вещества присоединились ученые по всему миру. Исследования показали, что ядра способны испускать три типа излучений. Первый — положительно заряженные частицы. Второй — заряженные отрицательно. Третий тип не содержит заряженных частиц.
Определение 2
α-, β- и γ-излучения — потоки частиц, которые способны испускать радиоактивные ядра.
Сложный состав радиоактивного излучения был обнаружен в ходе эксперимента. Поток пропустили между двумя магнитами с разными полюсами. Проходя сквозь постоянное магнитное поле потоки отклонились в противоположных направлениях, при этом β-излучение ушло гораздо дальше, а γ-поток совсем не отклонился.
При дальнейшем изучении свойств радиоактивных излучений удалось выяснить, что они значительно отличаются по проникающей способности и по возможности ионизировать атомы различных веществ. Выяснилось, что самая маленькая проникающая способность у α-лучей. Даже в обычном воздухе, при нормальных условиях они способны преодолеть путь всего в пару сантиметров. Более устойчивым оказался поток β-частиц. Он гораздо меньше поглощается веществом и может проникать уже сквозь листы металла, например, алюминия в несколько миллиметров. Меньше всего рассеиваются γ-лучи. Они легко проходят даже через свинец толщиной до 10 сантиметров.
Радиоактивность — свойство атомного ядра. Но это было установлено далеко не сразу, а только после исследований, давших понимание о строении атомов. Важную роль в то, что открытие состоялось, сыграли работы Э. Резерфорда.
Определение 3
α-частицы — ядра гелия — из них состоит α-излучение. Поток β-частиц — это электроны. γ-лучи — электромагнитные волны с очень небольшой длиной — менее 10-10 метра. С маленькой длиной волны связано то, что излучение ведёт себя словно поток частиц и обладает хорошо выраженными корпускулярными свойствами. По этой причине появилось представление о γ-излучении, как о потоке γ-квантов. Такой подход упрощает понимание его свойств и позволяет более точно предсказывать его поведение.
Чтобы лучше понять характеристики всех типов излучений, появляющихся при радиоактивном распаде, рассмотрим их по отдельности.
Альфа-распад
Определение 4
Альфа-распад — превращение ядра атома в более легкое ядро. Такой процесс происходит самопроизвольно, при этом образующееся новое ядро обладает меньшим количеством элементарных частиц. Если изначально было Z протонов и N нейтронов, то у появившегося ядра, число протонов и нейтронов будет Z-2 и N-2. Превращение сопровождается испусканием потока α-частиц — ядер гелия 42He.
Пример 1
Хорошо демонстрирует альфа-распад такой элемент как радий:
22688Ra $mapsto$ 22286Rn + 42He
Впервые процесс был изучен Резерфордом. В последствии физик использовал альфа частицы в экспериментах по рассеиванию на ядрах тяжёлых элементов.
Для эксперимента необходимо было установить скорость движения α-частиц. Она может вычисляться исходя из известных масс первоначального и нового ядер, а также зная массу ядра гелия. Скорость α-частицы очень велика, но составляет всего 1/20 часть от скорости света, поэтому для расчётов допустимо применять нерелятивистские выражения. Для вычислений была измерена кривизна траектории в магнитном поле и установлено, что скорость частиц составляет 1,5∙107 м/с, а кинетическая энергия около 4,8 МэВ или 7,5∙10-13 Дж.
В ходе дальнейших опытов установили — вещество, обладающее радиоактивными свойствами, может продуцировать α-частицы только с определёнными уровнями энергии. Объяснение этого заключается в том, что ядра, также как атомы, могут существовать в различных возбуждённых состояниях. Тогда при распаде ядра первоначального вещества α-излучение будет обладать меньшей энергией, а дочернее ядро получится не в основном, а в возбуждённом состоянии. Но эта фаза продлится не долго, так как ядро выделит γ-лучи и перейдёт в свое основное, более стабильное состояние. Поэтому α-распад чаще всего происходит с одновременным испусканием γ-излучения.
Теория α-распада предполагает, что в ядрах возможно появление групп элементарных частиц, в которые входят 2 протона и 2 нейтрона (задел для создания α-частиц). При этом элементы будут существовать в потенциальной яме, обусловленной влиянием ядра атома. Энергии частиц не хватает, чтобы преодолеть потенциальный барьер.
Определение 5
Появление α-излучения обусловлено таким явлением квантовой механики, как туннелирование. В рамках теории квантовой механики утверждается, что вероятность того, что частица пройдёт под потенциальным барьером не равна нулю. Это и есть туннельный эффект, его проявление имеет вероятностный характер.
Бета-распад
При бета-распаде происходит испускание ядром потока электронов. Однако, в самом ядре электронов нет, они являются всего лишь следствием β-распада, в ходе которого осуществляется превращение нейтронов в протоны. Подобные процессы идут не только внутри ядра, но и вне его, когда процесс касается свободных нейтронов. Время жизни такой частицы составляет в среднем 15 минут, а в результате радиоактивный распад превращает нейтрон в протон и электрон.
Определение 6
Фактически из-за отсутствия заряда и массы нейтрино не может взаимодействовать с атомами. Поэтому частицу крайне трудно обнаружить во время экспериментов. Несмотря на то, что частица обладает ионизирующей способностью, она очень мала. На каждые 500 км, пролетаемые нейтрино приходится всего один акт ионизации. За годы исследований учёные смогли узнать, что существует несколько типов нейтрино.
Определение 7
Один из типов называется частиц, возникающих при распаде нейтрона, называется электронный антинейтрино $_0^0tilde{upsilon}$
Распад нейтрона записывается так:
$_0^1nmapsto_1^1rho+_{-1}^{0}e+_0^0tilde{upsilon}$
При β-распаде аналогичные явления можно обнаружить в ядрах атомов. Если внутри него происходит распад нейтрона, то получившийся электрон сразу же выбрасывается наружу с огромной скоростью, практически совпадающую со скоростью света. Но следует отметить, что скорости β-электронов находятся в широком диапазоне значений, так как распределение выделяющейся при распаде энергии имеет неравномерный характер, поэтому нейтрино, ядро и электрон получают случайное её количество.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример 1
Характерные процессы идут β-распада идут при превращении изотона тория в проактиний.
23490Th$mapsto$ 23491Pa + 0-1e +_0^0tilde{upsilon}_{e}
В этом случае происходит повышение зарядового числа Z на одну позицию. Одновременно, общее массовое число A не меняется. Получившееся ядро (дочернее) станет ядром изотопа элемента, номер которого в таблице Менделеева находится на одну позицию выше, чем номер дочернего ядра.
Вместе с β-распадом электронного типа существует и другое явление β+-распад позитронного типа. В его ходе ядро испускает нейтрино и позитрон.
Определение 8
Позитрон — частица-двойник электрона, которая отличается только знаком заряда.
Аналитически существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. Частица была обнаружена через несколько лет при анализе состава космических лучей. Схема по которой появляются позитроны выглядит следующим образом:
$_1^1pmapsto_0^1$
$_{1}^{0}e+_0^0tilde{upsilon}_{e}$
Гамма-распад
Отличие γ-радиоактивности от α- или β-распада заключается в том, что она не имеет отношения к изменению внутренней структуры ядер. При продуцировании гамма-излучения не происходит изменения Z или A чисел.
γ-излучение появляется в случае если при α- или β-распаде получившееся ядро (дочернее) переходит в какое-либо возбуждённое состояние, получает лишнюю порцию энергии. Затем происходит ещё один переход, уже из возбужденного состояния в основное. При этом лишняя энергия выделяется в виде потока γ-квантов. При этом выделяемая энергия может достигать нескольких МэВ.
Закон радиоактивного распада
В составе любого радиоактивного вещества можно обнаружить большое количество радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад – это явление случайного характера и практически не зависит от внешних условий, то определение количества целых, нераспавшихся к заданному моменту времени ядер, обозначаемого как N(t), становится одной из основных задач при изучении характеристик процесса радиоактивного распада.
Составим уравнение, которое позволит рассчитать заданную величину. Если допустить, что количество целых ядер N(t) за небольшое время Δt изменится на величину ΔN<0, то можно установить зависимость следующего характера:
$triangle N=-lambda N(t)triangle t$,
То есть число распадов оказывается пропорционально числу ядер N(t), а также промежутку времени Δt.
Определение 9
Вводится понятие — коэффициент пропорциональности λ, который характеризует вероятность распада ядра за период времени составляющий 1 секунду.
Получив такую зависимость не трудно сделать вывод, что dN/dt — скорость изменения параметра N(t), является величиной, пропорциональной самой этой функции.
$frac{text{d}N}{text{d}t}=-lambda N$
Аналогичная зависимость может наблюдаться и в других физических процессах, например она имеет место при разрядке конденсаторов через резистор. Решая полученное уравнение, получаем следующую запись:
$N(t)=N_{0}e^{-lambda t}$,
В формуле N0 — это величина характеризующая начальное число радиоактивных ядер, в начальный момент времени, t=0.
Определение 10
Чтобы охарактеризовать поведение того или иного радиоактивного вещества вводится характеристика τ, обозначающее среднее время жизни радиоактивного ядра. Её значение: τ=1/ λ — она определяется как время, за которое число нераспавшихся ядер вещества снижается в e раз, где е — число Эйлера, равное 2,718.
Практическое применение закона радиоактивного распада требует упрощения записи. Для этого в качестве основания надо взять не е, а число 2. Тогда формулу можно представить в следующем виде:
$N(t)=N_{0}cdot 2^{frac{-t}{T}}$
Определение 11
В связи с корректировкой формулы вводится новое понятие — время полураспада Т. Характеризует период за которые произойдёт распад половины изначального числа радиоактивных ядер.
Параметры τ и Т связывает следующее соотношение:
$T=frac{1}{lambda}cdot ln2=tau cdot ln2=0,693tau$
Период полураспада позволяет описывать интенсивность процесса радиоактивного разложения вещества. Чем значение Т меньше, чем больше оказывается скорость распада. Для сравнения период полураспада урана составляет 4,5 миллиарда лет. Для радия этот параметр имеет значение 1600 лет. Сравнивая полученные характеристики можно установить, что активность урана гораздо меньше, чем активность радия. Диапазон скоростей разложения варьируется в очень широких пределах — есть элементы, период полураспада которых составляет доли секунды.
Наука установила, что могут существовать серии радиоактивных распадов, когда последовательно образуются несколько разных веществ с всё меньшей и меньшей атомной массой. Это происходит, если в результате α- и β-распада получается нестабильное ядро. В таких случаях процесс идёт до появления стабильного ядра.
Интересный факт
В природе можно встретить несколько таких серий. Наиболее продолжительный распад у урана 238. Процесс включает в себя последовательно 14 этапов, среди которых 6 β-распадов и 8 α-. В результате получается изотоп свинца.
Кроме урана серии обнаружены у нептуния — вещества не существующего в естественных условиях. Серия его распадов приводит к появлению висмута. Такая цепочка появляется в ядерных реакторах.
Радиоактивность нашла применение в археологии и палеонтологии. На этом эффекте основан метод датировки находок. Определяя концентрацию радиоактивных изотопов в предмете, можно с достаточной степенью точности установить время его создания, а для живых организмов время гибели. Радиоуглеродный метод основан на определении содержания в предмете или останках нестабильного изотопа углерода 146С. Он содержится в атмосфере, где появляется как результат реакций вызванных космическими лучами. В воздухе содержится малый его процент, но он потребляется, например, растениями. В момент гибели растения прекращает получать углерод, а его нестабильный изотоп начинает распадаться превращаясь в азот. Поэтому, измерив количество радиоактивного углерода можно узнать время гибели растений.
Все виды радиоактивного излучения оказывают сильное биологическое действие на живых существ, растения, другие живые организмы. Излучение вызывает возбуждение клеток, запускает процессы ионизации атомов. Воздействие излучения разрушает сложные молекулы, оказывает деструктивное влияние на клеточные структуры. Сильное воздействие излучения способно вызвать лучевое поражение, которое приводит к тяжёлым физическим последствиям и даже к смерти живых организмов. Поэтому для людей постоянно работающих с источниками радиации необходима надёжная защита.
Проблема усугубляется тем, что у человека нет органов чувств, позволяющих определить наличе радиационного фона. Воздействие ионизирующей радиации может испытываться человеком в течении длительного времени и в бытовых условиях.
Один из наиболее опасных источников радиации – бесцветный, инертный газ радон. Он является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада 3,82 суток. При этом родительское вещество — радий может в незначительных количествах содержаться во вполне обычных, естественных конструкциях, предметах, природных объектах: в строительных материалах, в почве, камнях. Радон, хотя и имеет непродолжительное время жизни, может накапливаться в запертых помещениях, постоянно обновляясь. При этом, не замеченный человеком, он без труда способен попасть в лёгкие, где начинает продуцировать α-частицы и преобразовываться в химически активный полоний, после чего следует серия преобразований, при каждом из которых выделяется излучение. В естественных условиях человек подвергается действию радиации за счёт взаимодействия с радоном, из-за космических лучей, при прохождении медицинских процедур, а также из разных других источников. Однако, суммарная доза облучения, которое человек получает за жизнь, гораздо меньше предельной допустимой.