Естествознание, 10 класс.
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Когда было открыто явление радиоактивности и как оно изучалось? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?
Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый; topos — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.
Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуры и свойства атомных ядер и их превращений — процессов радиоактивного распада и ядерных реакций.
Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.
Ядерные реакции — это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом.
Цепные ядерные реакции — это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций.
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. — 3-е изд. — М.: Просвещение, 2017. — С. 193-195.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. — М.: Аванта+, 2000. — С. 275-291.
Статья: Радиоактивный распад // Научно-популярный портал «Элементы». URL: http://elementy.ru/trefil/21197/Radioaktivnyy_raspad
Теоретический материал для самостоятельного изучения
В конце XIX века французский физик Антуан Анри Беккерель (1852 — 1908), изучая флуоресценцию солей урана, обнаружил, что эти соединения испускают неизвестное излучение, засвечивающее завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку. При этом обнаруженное излучение соли урана испускали независимо от того облучались они светом или нет. Новым явлением заинтересовались французские учёные Пьер Кюри (1859 — 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 — 1934). В 1897 — 1898 гг. они установили, что обнаруженное излучение является свойством урана, которое не зависит от того, в каком соединении этот элемент содержится. Исследуя в 1898 г. урановую руду, учёные открыли два новых химических элемента — полоний и радий, которые также обладали радиоактивностью — такое название они предложили для обнаруженного самопроизвольного испускания атомами излучения (от лат. radio — испускаю, излучаю и actives — действенный).
Радиоактивное излучение свидетельствует о том, что ядра атомов претерпевают распад, в результате которого они превращаются в ядра новых химических элементов. Выяснилось, что радиоактивностью обладают многие элементы, присутствующие в земной коре. Более того, все химические элементы, расположенные в периодической системе за висмутом, радиоактивны: все их нуклиды нестабильны. Нуклидом (от лат. nucleus — ядро) называют вид атомов с определенным значением заряда ядра и массой. Для обозначения нуклида используют название химического элемента, к которому через дефис записываю массовое число (например, уран-238) или знак химического элемента, рядом с которым наверху указывают массовое число, а внизу заряд ядра (например, 23892U). Разные нуклиды одного элемента по отношению друг к другу являются изотопами. Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый; topos — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.
Альфа-распад (α-распад) — самопроизвольное (спонтанное) изменение состава нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием α-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия 42He). Примером такого распада может служить превращение радия-226 в радон-222: 22688Ra → 22286Rn + 42α (где 42α — альфа-частица или ядро атома гелия).
Гамма-распад (γ-распад) представляет собой процесс испускания возбужденным ядром атома излучения с очень малой длиной волны — гамма-квантов. При этом изменение заряда ядра атома не происходит.
В ходе радиоактивного распада число имеющихся исходных атомов постепенно убывает. Изучая процессы радиоактивного распада во времени, Э. Резерфорд обнаружил, что через определенный промежуток времени — различающийся для разных элементов, количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается в два раза. Этот промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных атомов, был назван периодом полураспада Т1/2. Период полураспада характеризует скорость радиоактивного процесса и различается для разных радиоактивных изотопов. Если изотоп распадается быстро, то он называется короткоживущим. Значения Т1/2 для таких изотопов могут составлять 10-12 — 10-10 с и даже меньше. Примером может служить сверхлегкий изотоп кислорода-12, период полураспада которого составляет 10–21 с, или изотоп свинца-210 с периодом полураспада 1,5·10—4 с. Период полураспада долгоживущих, медленно распадающихся атомов, может достигать миллиардов лет. Так, например, для урана-238 период полураспада составляет 4,47·109 лет, для тория-232 — 1,405·1010 лет. Следует отметить, что скорость распада не зависит от внешних условий. Радиоактивный распад является статистическим процессом, поэтому нельзя определить, какой именно атом распадется в данный момент времени. Т.е ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет имеют одинаковую вероятность распасться. Можно определить только среднее время жизни радиоактивного атома, если имеется большое число таких атомов. Изменение числа атомов в процессе радиоактивного распада описывается законом радиоактивного распада: N = N0 2—t/T1/2, где N0 — число радиоактивных атомов в начальный момент времени t=0, N — число нераспавшихся атомов к моменту времени t, Т1/2 — период полураспада.
Бомбардировкой альфа-частицами ядер различных атомов удалось осуществить множество ядерных превращений. В 1932 г. при бомбардировке альфа-частицами атомов бериллия английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891 — 1974) был открыт нейтрон. Происходящий ядерный процесс можно изобразить следующим образом: 94Ве + 42α → 126С + 10n (где10n — нейтрон). В 1934 г. французскими физикам Ирен Жолио-Кюри (1897 — 1956) и Фредериком Жолио-Кюри (1900 — 1958) была открыта искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад нестабильных атомных ядер, полученных в ходе ядерных реакций. При облучении альфа-частицами алюминия им удалось получить не существующий в природе радиоактивный изотоп фософра-30. Уравнение, протекающей ядерной реакции можно представить следующим образом: 2713Al + 42α → 3015P + 10n. Период полураспада изотопа фосфора-30 составляет около 2,5 минут, при этом в ядре этого изотопа один из протонов превращается в нейтрон с испусканием позитрона (античастица электрона +1e) и нейтрино: 11p → 10n + +1e + ν. Процесс, происходящий с ядрами изотопа фосфора-30 можно записать следующим образом: 3015Р → 3014Si + +1e + ν.
Положительно заряженные частицы (протон, альфа-частица и др.), используемые в ядерных реакциях, испытывают сильное отталкивание при приближении к ядрам атомов, с которыми они должны взаимодействовать. Чтобы преодолеть это отталкивание альфа-частицы, протоны и т.д. должны обладать достаточно большой энергией, для этого их разгоняют с помощью специальных устройств — ускорителей. Первый ускоритель (циклотрон) был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Орландо Лоуренсом (1901 — 1958). С помощью циклотрона стало возможным проводить разнообразные ядерные реакции. Так, в 1932 г. Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном была проведена первая ядерная реакция на быстрых протонах. Бомбардируя протонами литий, учёным удалось расщепить его на две альфа-частицы: 73Li + 11H → 42He + 42He.
5927Co + 10n → 6027Co + γ. Подобные реакции применяются для получения новых изотопов: 3517Cl + 10n → 3516S + 11p или 2713Al + 10n → 2411Na + 42He.
Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.
Резюме теоретической части.
2. Превращение атомов одних химических элементов в другие возможно входе процессов радиоактивного распада и ядерных реакций. Изучением этих процессов занимается ядерная физика, зарождение которой началось на рубеже XIX — XX веков.
4. Ядерные реакции, в отличие от процессов радиоактивного распада, протекают под внешним воздействием — атомные ядра бомбардируют другими ядрами, элементарными частицами или гамма-квантами. Бомбардирующие частицы чаще всего разгоняют с помощью специальных устройств — ускорителей. Наибольший интерес представляют ядерные реакции, проводимые с использованием нейтронов, потоки которых получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах. Открытие деления ядер урана привело к осуществлению цепных ядерных реакций, которые имеют большое практическое значение.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.