Реферат: Радиоактивность и ядерные излучения

В 1911 г. в опытах Резерфорда по облучению альфа-частицами легких газов показано, что ядра расщепляются, с вылетом ядер водорода, которые впоследствии были названы протонами. Эти эксперименты показали, что протоны являются составной частью ядра.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвиг провел опыты по бомбардировке бериллиевой фольги альфа-частицами и открыл еще одну ядерную частицу — нейтрон, который по своей массе был близок к протону.

Заряд ядра определяется числом элементарных положительных зарядов, содержащихся в нем, и совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Носителем элементарного положительного заряда является протон. Заряд протона (р) q = +1,6021 х Ю~¹⁹ Кл, масса покоя протона М = 1,6726 хЮ"²⁶ кг =1836М_е (М_е = 9,11хЮ~³¹ кг). В состав ядра, кроме протонов, входят нейтроны. Нейтрон (п) — нейтральная частица с массой покоя М_п = 1,6749 х 10~²⁷ кг = 1839М_е .

В ядерной физике считается, что протон и нейтрон — два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы — нуклона (от латинского nucleus — ядро). Протон является протонным состоянием нуклона с зарядом +е , нейтрон — его нейтронным состоянием с нулевым зарядом. Нуклоны в ядре находятся в состояниях, отличных от их свободных состояний. Это связано с тем, что в ядре между нуклонами осуществляется особое ядерное взаимодействие. От электромагнитного взаимодействия оно отличается тем, что одинаково действует на заряженный протон и нейтральный в элементарном отношении нейтрон. Действие ядерного взаимодействия проявляется на очень близких ядерных расстояниях (около 10~¹³ м), величина очень велика, позволяющая сжать ядерное вещество до плотности сотни миллионов тонн в 1 см³ .

Масса атомного ядра совпадает практически с массой всего атома, т.к. масса электронов мала. Ядро, как и нейтральный атом, символически обозначаются так А_г Х , где X — символ химического элемента, Z — атомный номер (число протонов в ядре), А — массовое число (число нуклонов в ядре). Массы атомов принято выражать в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята 1/16 массы атома кислорода:

Кроме того применяется "унифицированная атомная единица массы" (у. а. е. м.), равная 1/12 массы атома углерода:

В природе существуют множество радиоактивных веществ, в соответствии со своими свойствами они объединены в ряды тория и урана. Однако и среди них встречаются вещества с одинаковыми химическими свойствами но с различными массами. Эти вещества были названы изотопами (от греческих слов "одинаковый" и "место"), т.е. ядра с одинаковыми Z , но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А - Z ). Например, водород ( Z = 1) имеет три изотопа:— протий ( Z = 1, N = 0), — дейтерий ( Z = 1, N = 1), — тритий ( Z = 1, N = 2). Ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами. Примером ядер-изобар могут служить.

3. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

В 1911 году Резерфорд и Содди показали, что атомы некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член этого ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Позже, способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц называли радиоактивностью. При этом различают два вида радиоактивности — естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атома, существующих в природе, и искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций. Оба вида радиоактивности ничем принципиально не отличаются друг от друга и описываются одними и теми же законами радиоактивных превращений.

Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядра, испытывающие распад, называются радионуклидами. Исходное атомное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате распада, называется дочерним.

Радиоактивный распад происходит со строго определённой скоростью, характерной для каждого данного элемента. Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т. Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких пределах. Так, например, период полураспада уранасоставляет 4,5 млрд. лет, радия — 1620 лет, радона— 3,8 суток. Более того, периоды полураспада у изотопов одного и того элемента могут сильно различаться — уRa Т = 1630 лет, а уТ =0,001с.

Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада носит статистический характер. Можно показать, что закон убывания во времени числа радиоактивных ядер данного вещества (закон радиоактивного распада) имеет вид

Здесь— число радиоактивных ядер в момент времени, принятый за начало отсчёта, т.е. при t = 0 . N — число радиоактивных ядер в момент времени t . Я — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, носящая название постоянной радиоактивного распада. Между постоянной радиоактивного распада и периодом полураспада существует простая связь:

Среднее время жизни радиоактивного ядра г есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада, т.е. радионуклиды, из которых 37000 распадается каждую 5 секунду.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, установленными опытным путём. Правила смещения: => для альфа-распада (превращения ядер, сопровождающиеся испусканием альфа-частиц)

:=>

для бета распада (превращения ядер, сопровождающиеся, испусканием бета-частиц)

Активностью А нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в единицу времени:

где— число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt .

Единица активности в системе СИ — беккерелъ (Бк): 1 Бк — активность нуклида, при которой за 1 с происходит один распад. Внесистемная единица активности — кюри (Ки):

Бк.

1 кюри равен числу распавшихся ядер содержащихся в 1 г радия за 1 с (3,7 храс/сек).

Милликюри —Ки.

Микрокюри —Ки.