Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате альфа и бета распада

§66. Радиоактивные превращения атомных ядер — cтраницы 226, 227, 228, 229

При распаде радия Ra (металл) происходит его превращение в радон Ra (газ) с испусканием α- частиц.

2. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?

При α- и при β- распаде происходит превращение одного химического элемента в другой.

3. Какая часть атома — ядро или электронная оболочка — претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?

При радиоактивном превращении претерпевает изменение ядро атома, т.к. именно ядро атома определяет его химические свойства.

4. Запишите реакцию α-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.

5. Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед буквенным обозначением элемента?

Они называются массовое и зарядовое число.

6. Чему равно массовое число? зарядовое число?

Массовое число равно целому числу атомных единиц массы данного атома.
Зарядовое число равно числу элементарных электрических зарядов ядра данного атома.

7. На примере реакции а -распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.

Закон сохранения массового числа и зарядов гласит, что при радиоактивных превращениях величина суммы массовых чисел атомов и суммы зарядов всех частиц участвующих в превращениях — величина постоянная.

8. Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?

Был сделан вывод, что ядра атомов имеют сложный состав.

9. Что такое радиоактивность?

Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Упражнения.

1. Определите массу (в а. е. м. с точностью до целых чисел) и заряд (в элементарных зарядах) ядер атомов следующих элементов: углерода 12 ₆C; лития 6 ₃Li; кальция 40 ₂₀Ca.

2. Сколько электронов содержится в атомах каждого из химических элементов, перечисленных в предыдущей задаче?

3. Определите (с точностью до целых чисел), во сколько раз масса ядра атома лития 6 ₃Li больше массы ядра атома водорода 1 ₁Н .

4. Для ядра атома бериллия 9 ₄Be определите: а) массовое число; б) массу ядра в а. е. м. (с точностью до целых чисел); в) во сколько раз масса ядра больше 1/12 массы атома углерода 12 ₆С (с точностью до целых чисел): г) зарядовое число; д) заряд ядра в элементарных электрических зарядах; е) суммарный заряд всех электронов в атоме в элементарных электрических зарядах; ж) число электронов в атоме.

5. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, определите массовое число и заряд ядра химического элемента X, образующегося в результате следующей реакции β-распада: 14 ₆C → X + 0 _-1e, где 0 _-1e — β-частица (электрон). Найдите этот элемент в таблице Д. И. Менделеева на форзаце учебника. Как он называется?

Вопросы § 53

При a— и при ß-распаде происходит превра­щение одного химического элемента в другой.

2.

При радиоактивном превращение претерпева­ет изменения ядро атома, т. к. именно ядро атома определяет его химические свойства.

3.

Массовое число равно целому числу атомных единиц массы данного атома.

Зарядовое число равно числу элементарных элек­трических зарядов ядра данного атома.

4.

Закон сохранения массового числа и заря­дов гласит, что при радиоактивных превращениях величина суммы массовых чисел атомов и суммы зарядов всех частиц участвующих в превращени­ях — величина постоянная.

5.

Был сделан вывод, что ядра атомов имеют сложный состав.

6.

Радиоактивность — это способность некото­рых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Урок 2

Здравствуйте, мы встречаемся с вами на уроке физики. Сегодня мы продолжаем знакомство с атомной физикой. Рада вас приветствовать, надеюсь, у всех хорошее настроение. Начнём.

Откройте тетрадь, запишите дату и тему урока:

" Радиоактивные превращения атомных ядер"

2. Проверим домашнее задание:

Планетарная модель атома обоснована:

а) расчетами движения небесных тел;

б) опытами по электризации;

в) опытами по рассеянию альфа-частиц;

г) фотографиями атомов в микроскопе.

Проверьте себя, правильный ответ В).

Беккерель обнаружил, что химический элемент уран…

Явление радиоактивности свидетельствовало о том, что атомы вещества имеют…

Томсон предложил модель, согласно которой атом представляет собой …

Резерфорд сделал вывод, что внутри атома имеется чрезвычайно …

Согласно модели Резерфорда в центре атома находится …

3. Попробуем расширить наши представления о превращениях атомных ядер.

Резерфорд и Содди обнаружили, что радиоактивный элемент радий в процессе альфа-распада превращается в другой химический элемент – радон. Какой из этого можно сделать вывод?

— Если бы изменения затрагивали только электронную оболочку атома, то при этом атом превращался бы в ион того же самого химического элемента. Ядро претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.

Реакция альфа-распада атома радия с превращением его в ядро атома радона записывается так:

88 Ra — 86 Rn + 2 He.

Число, стоящее перед буквенным обозначением ядра сверху, называется массовым числом, а снизу – зарядовым числом (или атомным номером). Массовое и зарядовое числа всегда целые и положительные. Они не имеют размерности, поскольку указывают, во сколько раз масса и заряд больше единичных.

Итак, массовое число с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра.

Зарядовое число равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах.

Правило смещения при радиоактивных превращениях:

Z X – Z-2 Y + 2 He –при альфа- распаде элемент смещается влево на две клетки в таблице Менделеева и вылетает альфа-частица.

Z X – Z+1 Y + -1e — при бета-распаде элемент смещается вправо на одну клетку в таблице Менделеева и вылетает электрон.

Выводы :

ядра имеют сложный состав, то есть состоят из каких-то частиц.

Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

При радиоактивных превращениях выполняются законы сохранения массовых и зарядовых чисел.

Виды радиоактивного распада

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно.
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.
Различают альфа-распад (с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует.
Альфа- и бета-распады – это естественные радиоактивные превращения.

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы — антинейтрино.
Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.
Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.

Гамма — распад — не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.
При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и, когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.
Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.

33. Виды бета-распада.

Явление β-распада состоит в том, что ядро(A,Z) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу большим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино.В литературе для e-захвата часто используется термин EC (Electron Capture).
Существуют три типа β-распада – β — -распад, β + -распад и е-захват.

β — : (A, Z) → (A, Z+1) + e — + e, β + : (A, Z) → (A, Z-1) + e + + νe, е: (A, Z) + e — → (A, Z-1) + νe.

(3.1)

Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад — процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия β-распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой):

β — (n → p + e — + e), M(A, Z) > M(A, Z+1) + me, β + (p → n + e + + νe), M(A, Z) > M(A, Z-1) + me, e-захват (p + e — → n + νe), M(A, Z) + me > M(A, Z-1).

(3.2)

β-распад, также как и α-распад, происходит между дискретными состояниями начального (A,Z) и конечного (A,Z±1) ядер. Поэтому долгое время после открытия явления β-распада было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при β-распаде были непрерывными, а не дискретными, как спектры α-частиц.
На рис. 3.1 показаны спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β — -распаде изотопа 40 K.

Рис. 3.1. Спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β — -распаде изотопа 40 K,
40 K → 40 Ca + e — + _e.

Считалось даже, что в β-распаде не выполняется закон сохранения энергии. Объяснение непрерывного характера β-спектра было дано В. Паули, который высказал гипотезу, что при β-распаде вместе с электроном рождается ещё одна частица с маленькой массой, т.е. β-распад − трехчастичный процесс. В конечном состоянии образуется ядро (A,Z±1), электрон и лёгкая нейтральная частица – нейтрино (антинейтрино). Т.к. масса ядра (A,Z±1) гораздо больше масс электрона и нейтрино, энергия β-распада уносится лёгкими частицами. Распределение энергии β-распада Q_β между электроном и этой нейтральной частицей приводит к непрерывному β-спектру электрона.
Из закона сохранения энергии следует, что спектр антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов.

где N_ν(E) − число антинейтрино с энергией Е, N_e(Q_β – E) − число электронов с энергией (Q_β – E), Q_β − энергия β-распада, равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино (энергия ядра отдачи 40 Ca не учитывается).
Наряду с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения в процессе β-распада выполняются законы сохранения барионного B и электронного лептонного L_e квантовых чисел.

• Электроны, нейтрино имеют B = 0, L_e = +1.
• Позитроны, антинейтрино имеют B = 0, L_e = −1.
• Каждый нуклон, входящий в состав ядра, имеет B = +1, L_e = 0.

Поэтому появление электрона при β — -распаде всегда сопровождается образованием антинейтрино. При β + -распаде образуются позитрон и нейтрино. При е-захвате из ядра вылетают нейтрино. Так как е-захват – двухчастичный процесс, спектры нейтрино и ядра отдачи являются дискретными. Наблюдение дискретного спектра ядер отдачи, образующихся при е-захвате, было первым подтверждением правильности гипотезы Паули.
β-радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа A, начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер.
За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий, ответственных за β-распад, на много порядков меньше ядерных, периоды полураспада β-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок минут и часов. Для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и углового момента при распаде нуклона внутри ядра, оно должно перестраиваться. Поэтому период, а также другие характеристики β-распада в сильной степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды β-распада варьируются почти в столь же широких пределах, как и периоды α-распада. Они лежат в интервале T_1/2(β) = 10 -6 с – 10 17 лет.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: