История изучения радиоактивности началась 1 марта 1896 года, когда известный французский ученый Анри Беккерель случайно обнаружил странность в излучении солей урана. Оказалось, что фотопластинки, расположенные в одном ящике с образцом, засвечены. К этому привело странное, обладающее высокой проникающей способностью излучение, которым обладал уран. Это свойство обнаружилось у самых тяжелых элементов, завершающих периодическую таблицу. Ему дали название "радиоактивность".
Вводим характеристики радиоактивности
Данный процесс – самопроизвольное превращение атома изотопа элемента в иной изотоп с одновременным выделением элементарных частиц (электронов, ядер атомов гелия). Превращение атомов оказалось самопроизвольным, не требующим поглощения энергии извне. Основной величиной, характеризующей процесс выделения энергии в ходе радиоактивного распада, называют активность.
А=λN, где λ- постоянная распада, N – число активных атомов в образце.
Выделяют α, β, γ-распады. Соответствующие уравнения называют правилами смещения:
название | Что происходит | Уравнение реакции |
α –распад | превращение атомного ядра Х в ядро Y с выделением ядра атома гелия | ZАХ→Z-2YА-4+2He4 |
β - распад | превращение атомного ядра Х в ядро Y с выделением электрона | ZАХ→Z+1YА+-1eА |
γ - распад | не сопровождается изменением ядра, энергия выделяется в виде электромагнитной волны | ZХА→ZXА+γ |
Временной интервал в радиоактивности
Момент развала частицы невозможно установить для данного конкретного атома. Для него это скорее «несчастный случай», нежели закономерность. Выделение энергии, характеризующее этот процесс, определяют как активность образца.
Установлено, что существует время, в течение которого ровно половина атомов данного образца претерпевает распад. Этот интервал времени получил название "период полураспада". В чем смысл введения этого понятия?
Что такое период полураспада?
Представляется, что за время, равное периоду, ровно половина всех активных атомов данного образца распадается. Но означает ли это, что за время в два периода полураспада все активные атомы полностью распадутся? Совсем нет. Через определенный момент в образце остается половина радиоактивных элементов, через такой же промежуток времени из оставшихся атомов распадается еще половина, и так далее. При этом излучение сохраняется длительное время, значительно превышающее период полураспада. Значит, активные атомы сохраняются в образце независимо от излучения
Период полураспада - это величина, зависящая исключительно от свойств данного вещества. Значение величины определено для многих известных радиоактивных изотопов.
Таблица: «Полупериод распада отдельных изотопов»
| Название | Обозначение | Вид распада | Период полураспада |
Радий | 88Ra219 | альфа | 0,001 секунд |
Магний | 12Mg27 | бета | 10 минут |
Радон | 86Rn222 | альфа | 3,8 суток |
Кобальт | 27Co60 | бета, гамма | 5,3 года |
Радий | 88Ra226 | альфа, гамма | 1620 лет |
Уран | 92U238 | альфа, гамма | 4,5 млрд лет |
Определение периода полураспада выполнено экспериментально. В ходе лабораторных исследований многократно проводится измерение активности. Поскольку лабораторные образцы минимальных размеров (безопасность исследователя превыше всего), эксперимент проводится с различным интервалом времени, многократно повторяясь. В его основу положена закономерность изменения активности веществ.
С целью определения периода полураспада производится измерение активности данного образца в определенные промежутки времени. С учетом того, что данный параметр связан с количеством распавшихся атомов, используя закон радиоактивного распада, определяют период полураспада.
Пример определения для изотопа
Пусть число активных элементов исследуемого изотопа в данный момент времени равно N, интервал времени, в течение которого ведется наблюдение t2- t1, где моменты начала и окончания наблюдения достаточно близки. Допустим, что n – число атомов, распавшихся в данный временной интервал, тогда n = KN(t2- t1).
В данном выражении K = 0,693/T½ - коэффициент пропорциональности, называющийся константой распада. T½ - период полураспада изотопа.
Примем временной интервал за единицу. При этом K = n/N указывает долю от присутствующих ядер изотопа, распадающихся в единицу времени.
Зная величину константы распада, можно определить и полупериод распада: T½ = 0,693/K.
Отсюда следует, что за единицу времени распадается не определенное количество активных атомов, а определенная их доля.
Закон радиоактивного распада (ЗРР)
Период полураспада положен в основу ЗРР. Закономерность выведена Фредерико Содди и Эрнестом Резерфордом на основе результатов экспериментальных исследований в 1903 году. Удивительно, что многократные измерения, выполненные при помощи приборов, далеких от совершенства, в условиях начала ХХ столетия, привели к точному и обоснованному результату. Он стал основой теории радиоактивности. Выведем математическую запись закона радиоактивного распада.
- Пусть N0 – количество активных атомов в данный момент времени. По истечении интервала времени t нераспавшимися останутся N элементов.
- К моменту времени, равному периоду полураспада, останется ровно половина активных элементов: N=N0/2.
- По прошествии еще одного периода полураспада в образце остаются: N=N0/4=N0/22 активных атомов.
- По прошествии времени, равному еще одному периоду полураспада, образец сохранит только: N=N0/8=N0/23.
- К моменту времени, когда пройдет n периодов полураспада, в образце останется N=N0/2n активных частиц. В этом выражении n=t/T½: отношение времени исследования к периоду полураспада.
- ЗРР имеет несколько иное математическое выражение, более удобное в решении задач: N=N02-t/ T½.
Закономерность позволяет определить, помимо периода полураспада, число атомов активного изотопа, нераспавшихся в данный момент времени. Зная число атомов образца в начале наблюдения, через некоторое время можно определить время жизни данного препарата.
Определить период полураспада формула закона радиоактивного распада помогает лишь при наличии определенных параметров: числа активных изотопов в образце, что узнать достаточно сложно.
Следствия закона
Записать формулу ЗРР можно, используя понятия активности и массы атомов препарата.
Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов: A=A0•2-t/T. В этой формуле А0 – активность образца в начальный момент времени, А – активность по истечении t секунд, Т – период полураспада.
Масса вещества может быть использована в закономерности: m=m0•2-t/T
В течение любых равных промежутков времени распадается абсолютно одинаковая доля радиоактивных атомов, имеющихся в наличии в данном препарате.
Границы применимости закона
Закон во всех смыслах является статистическим, определяя процессы, протекающие в микромире. Понятно, что период полураспада радиоактивных элементов – величина статистическая. Вероятностный характер событий в атомных ядрах предполагает, что произвольное ядро может развалиться в любой момент. Предсказать событие невозможно, можно лишь определить его вероятность в данный момент времени. Как следствие, период полураспада не имеет смысла:
- для отдельного атома;
- для образца минимальной массы.
Время жизни атома
Существование атома в его первоначальном состоянии может длиться секунду, а может и миллионы лет. Говорить о времени жизни данной частицы также не приходится. Введя величину, равную среднему значению времени жизни атомов, можно вести разговор о существовании атомов радиоактивного изотопа, последствиях радиоактивного распада. Период полураспада ядра атома зависит от свойств данного атома и не зависит от других величин.
Можно ли решить проблему: как найти период полураспада, зная среднее время жизни?
Определить период полураспада формула связи среднего времени жизни атома и постоянной распада помогает не меньше.
τ= T1/2/ln2= T1/2/0,693=1/ λ.
В этой записи τ – среднее время жизни, λ – постоянная распада.
Использование периода полураспада
Применение ЗРР для определения возраста отдельных образцов получило широкое распространение в исследованиях конца ХХ века. Точность определения возраста ископаемых артефактов настолько возросла, что может дать представление о времени жизни за тысячелетия до нашей эры.
Радиоуглеродный анализ ископаемых органических образцов основан на изменении активности углерода-14 (радиоактивного изотопа углерода), присутствующего во всех организмах. Он попадает в живой организм в процессе обмена веществ и содержится в нем в определенной концентрации. После смерти обмен веществ с окружающей средой прекращается. Концентрация радиоактивного углерода падает вследствие естественного распада, активность уменьшается пропорционально.
При наличии такого значения, как период полураспада, формула закона радиоактивного распада помогает определить время с момента прекращения жизнедеятельности организма.
Цепочки радиоактивного превращения
Исследования радиоактивности проводились в лабораторных условиях. Удивительная способность радиоактивных элементов сохранять активность в течение часов, суток и даже лет не могла не вызывать удивления у физиков начала ХХ столетия. Исследования, к примеру, тория, сопровождались неожиданным результатом: в закрытой ампуле активность его была значительной. При малейшем дуновении она падала. Вывод оказался прост: превращение тория сопровождается выделением радона (газ). Все элементы в процессе радиоактивности превращаются в совершенно иное вещество, отличающееся и физическими, и химическими свойствами. Это вещество, в свою очередь, также нестабильно. В настоящее время известно три ряда аналогичных превращений.
Знания о подобных превращениях крайне важны при определении времени недоступности зон, зараженных в процессе атомных и ядерных исследований или катастроф. Период полураспада плутония - в зависимости от его изотопа - лежит в интервале от 86 лет (Pu 238) до 80 млн лет (Pu 244). Концентрация каждого изотопа дает представление о периоде обеззараживания территории.
Самый дорогой металл
Известно, что в наше время есть металлы значительно более дорогие, чем золото, серебро и платина. К ним относится и плутоний. Интересно, что в природе созданный в процессе эволюции плутоний не встречается. Большинство элементов получены в лабораторных условиях. Эксплуатация плутония-239 в ядерных реакторах дала возможность ему стать чрезвычайно популярным в наши дни. Получение достаточного для использования в реакторах количества данного изотопа делает его практически бесценным.
Плутоний-239 получается в естественных условиях как следствие цепочки превращений урана-239 в нептуний-239 (период полураспада - 56 часов). Аналогичная цепочка позволяет накопить плутоний в ядерных реакторах. Скорость появления необходимого количества превосходит естественную в миллиарды раз.
Применение в энергетике
Можно много говорить о недостатках атомной энергетики и о «странностях» человечества, которое практически любое открытие использует для уничтожения себе подобных. Открытие плутония-239, который способен принимать участие в цепной ядерной реакции, позволило использовать его в качестве источника мирной энергии. Уран-235, являющийся аналогом плутония, встречается на Земле крайне редко, выделить его из урановой руды значительно сложнее, чем получить плутоний.
Возраст Земли
Радиоизотопный анализ изотопов радиоактивных элементов дает более точное представление о времени жизни того или иного образца.
Использование цепочки превращений "уран – торий", содержащихся в земной коре, дает возможность определить возраст нашей планеты. Процентное соотношение этих элементов в среднем по всей земной коре лежит в основе этого метода. По последним данным, возраст Земли составляет 4,6 миллиарда лет.
