Билет № 23. Радиоактивность. Альфа-, бета - и гамма-излучения

В 1896г. Беккерель открыл явление радиоактивности.

Беккерель обнаружил, что химический элемент уран самопроиз­вольно (т. е. без каких-либо внешних воздействий) излучает ранее неизвестные невидимые лучи, которые позже были названы радио­активным излучением.

Способность атомов некоторых химических элементов к самопроиз­вольному излучению называют радиоактивностью.

В 1899 г. в результате опыта Эрнес­та Резерфорда, было обнаружено, что радио­активное излучение имеет сложный состав. Резерфорд взял толстостенный свинцовый сосуд с крупицей радия на дне. Пу­чок радиоактивного излучения радия выходил сквозь узкое отверстие и попадал на фотоплас­тинку. После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно темное пятно — как раз в том месте, куда попадал пучок. Если провести тот же опыт, созда­вая сильное магнитное поле, действующее на пучок, то на проявленной плас­тинке возникало три пятна: одно, центральное, два других - по разные стороны от центрального. В одном потоке присутствовали только положи­тельно заряженные частицы, в другом - отри­цательно заряженные. А центральный поток представлял собой излу­чение, не имеющее электрического заряда.

Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами (α-частицы), отрицательно заряженные - бета-частицами (β-частицы), а нейтральные - гамма-частицами (γ-частицы) или гамма-квантами.

Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что α-частица представ­ляет собой ядро атома гелия ( ); β-частица – это электрон ( ), а γ-частица – это квант энергии. Появление электрона внутри ядра объясняется распадом нейтрона на протон и электрон.

Радиоактивные излучения часто приводят к изменению структуры ядра:

α- излучение: ,

β -излучение: ,

γ -излучение: .

Число, стоящее перед буквенным обозначением ядра сверху, на­зывается массовым числом,а снизу - зарядовым числом(или атомным номером).

Массовое число ядра атома данного химического элемен­та с точностью до целых чисел равно числу атомных еди­ниц массы, содержащихся в массе этого ядра и равно числу частиц в ядре.

Зарядовое число ядра атома данного химического элемен­та равно числу элементарных электрических зарядов, со­держащихся в заряде этого ядра, и равно числу протонов в ядре.

В процессе радиоактивного распада вы­полняются законы сохранения массового числа и заряда.

Радиоактивные излучения оказывают сильное действие на вещество, особенно на живые клетки. Их действие зависит от вида излучения. При внешнем облучении наиболее опасным является γ – излучение, т.к. оно имеет наибольшую проникающую способность. При внутреннем облучении наиболее опасным является α-излучение, т.к. эти частицы вызывают наибольшую степень ионизацию клеток. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001ºС , нарушает жизнедеятельность клеток.

Поэтому при работе с источниками радиации необходимо использовать различные меры защиты:

1. Учет времени и дозы облучения.

2. Применение защитных средств.

Так, для ослабления α-излучения в два раза достаточно листа бумаги, β-излучения – слоя алюминия толщиной 1-5мм, γ-излучения – лист свинца, толщиной 1-2 см.

Билет №24. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Состав атомного ядра. Ядерные реакции.

В 1903г. Томсон предложил модель строения атома, в которой весь положительный заряд равномерно распределен по объему атома. В 1911 Резерфорд провел опыт, результаты которого опровергли теорию Томсона. Для опытов Резерфорд использовал свинцовый сосуд с радиоактивным веществом, излучающим α - частицы. Из этого сосуда α-частицы вылетают через узкий канал.

Поскольку α-частицы непосредственно увидеть невозможно, то для их обнаружения служит стеклянный экран, покрытый тонким слоем специального вещества, благодаря чему в местах попадания в экран α-частиц возникают вспышки, которые наблюдаются с помощью микроскопа. Вся эта установка помещается в сосуд, из которого откачан воздух (чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха).

Если на пути α-частиц нет никаких препятствий, то они падают на экран узким, слегка расширяющимся пучком. Если же на пути α-частиц поместить тонкую фольгу из исследуемого металла, то при взаимодействии с веществом α-частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы β. Некоторое число частиц рассеивалось на углы, близкие к 90°, а единичные частицы - на углы порядка 180°. Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение α-частиц возможно только в том случае, если внутри атома положительный заряд сконцентрирован в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома).

На основании этих опытов Резерфорд предположил, что в центре атома находится заряженное положительным зарядом ядро атома. На большом расстоянии от него (по сравнению с его размерами) в атоме находятся электроны. Они притягиваются, но не приближаются вплотную к ядру, потому что быстро движутся вокруг него.

В состав ядра входят положительно заряженные протоны. Каждый протон имеет массу, в 1840 раз большую, чем масса электрона, заряд протона положителен, равен по абсолютному значению заряду электрона. Кроме протонов, в ядрах атомов содержатся нейтроны. Масса нейтрона немного больше массы протона, заряд равен нулю.

В 1903 г. Эрнест Резерфорд и его сотрудник, Фреде­рик Содди,обнаружили, что радиоактивный элемент радий в про­цессе α-распада пре­вращается в другой химический элемент - радон.

Радий и радон - это совершенно разные вещества, они отлича­ются по своим физическим и химическим свойствам. Радий - ме­талл, при обычных условиях он находится в твердом состоянии, а радон - инертный газ. Эти химические элементы занимают разные клетки в таблице Д. И. Менделеева. Их атомы отличаются массой, зарядом ядра, числом электронов в электронной оболочке. Они по-разному вступают в химические реакции.

Дальнейшие опыты с различными радиоактивными препаратами показали, что не только при α-распаде, но и при β-распаде про­исходит превращение одного химического элемента в другой.

После того как в 1911 г. Резерфордом была предложена ядерная мо­дель атома, стало очевидным, что именно ядро претерпевает изме­нения при радиоактивных превращениях. Если бы изменения затрагивали только электронную оболочку атома, то при этом атом превра­щался бы в ион того же самого химического элемента, а не в атом другого элемента. Похожая ситуация происходит и при взаимодействии ядер с частицами или друг с другом.

Превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом, называют ядерными реакциями.

В процессе ядерных реакций вы­полняются законы сохранения массового числа и заряда.

Одни ядерные реакции протекают с выделением энергии, другие с поглощением. Примером ядерных реакций является цепная реакция деления урана, реакции термоядерного синтеза.

Так, благодаря реакции термоядерного синтеза ( ), Солнце выделяет огромное количество энергии, что позволяет существовать жизни на Земле.