Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 40. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду

Алхіміки Середньовіччя мріяли про філософський камінь, який перетворював би всі речовини на золото. «Сучасна алхімія» — так назвав Е. Резерфорд свою книгу про перетворення атомних ядер. Про те, які зміни відбуваються з ядром під час радіоактивного випромінювання, йтиметься в цьому параграфі.

1. Згадуємо історію відкриття радіоактивності

Історія відкриття радіоактивності почалася з відкриття рентгенівського випромінювання. Поштовхом до досліджень стало припущення, що рентгенівське випромінювання може виникати при флуоресценції деяких речовин, опромінених сонячним світлом. Такою речовиною і скористався французький фізик Анрі Антуан Беккерель (1852-1908) у лютому 1896 р. Для досліджень він випадково обрав здатну до флуоресценції маловідому сіль Урану.

Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, учений поклав на загорнуту в чорний папір фотопластинку крупинки уранової солі й виніс на сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці виявилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Таким чином було з’ясовано, що уранова сіль дійсно висилає випромінювання, яке має велику проникну здатність.

Продовжити дослідження Беккерелю завадила хмарна погода, і він поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через три дні учений вирішив проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло було ні до чого: сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, висилає невидиме випромінювання.

Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням; здатність речовин до радіоактивного випромінювання — радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, — радіонуклідами.

Відкриття Радію

Термін радіоактивність був уведений у науку Марією Склодовською-Кюрі (1867-1934). «Чи тільки Уран висилає “промені Беккереля”?» — з пошуку відповіді на це запитання почала вона свою роботу з вивчення радіоактивності. У 1898 р. М. Склодовська-Кюрі та її чоловік П’єр Кюрі (1859-1906) відкрили два нові елементи — Радій і Полоній. Радій виявився в мільйони разів активнішим за уран, але отримати цю речовину в достатній для дослідів кількості виявилося досить складно. Знадобилося ще 4 роки копіткої роботи (майже вручну подружжям було оброблено 11 т руди!), щоб отримати крихітну пробірку радію.

За дослідження радіоактивності подружжя Кюрі разом із А. Беккерелем отримали в 1903 р. Нобелівську премію з фізики, а в 1911 р. Марія Склодовська-Кюрі одержала ще й Нобелівську премію з хімії. За всю історію тільки чотири особи ставали лауреатами Нобелівської премії двічі.

2. Природа радіоактивного випромінювання

Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що різні радіонукліди можуть випромінювати промені трьох видів:

• 1) α-випромінювання — позитивно заряджені важкі частинки (ядра атомів Гелію);
• 2) β-випромінювання: β^--випромінювання — негативно заряджені легкі частинки (швидкі електрони), β⁺-випромінювання — позитивно заряджені легкі частинки (швидкі позитрони);
• 3) γ-випромінювання — високочастотні електромагнітні хвилі.

На рис. 40.1 подано схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями, які свідчать про те, що урановий зразок висилає промені трьох видів.

Рис. 40.1. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання: урановий зразок (²³⁸₉₅Ui і ²³⁵₉₂U у суміші з їх дочірніми радіонуклідами) є джерелом α-, β^--, γ-випромінювань

Як захиститися від радіоактивного випромінювання

Дізнавшись про викид радіоактивних речовин, слід зробити, зокрема, таке.

• 1. Сховатися в будівлі: бетонні й цегляні стіни повністю захищають від α- і β-випромінювання й добре поглинають γ-випромінювання.
• 2. Зачинити всі вікна, двері, вентиляційні ґратки.
• 3. Зняти вуличний одяг, запакувати його в поліетиленовий пакет, прийняти душ.
• 4. Герметично запакувати запас питної води, їжі.
• 5. Намагатися вживати йодомісткі продукти (горіхи, морські водорості тощо), продукти, багаті на клітковину.

3. Правила зміщення

Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень ядер атомів. Причому ці перетворення відбуваються довільно (без зовнішніх причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску і температури, дії магнітного й електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо.

Радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.

Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. Після низки експериментів було встановлено загальні правила таких перетворень — правила зміщення:

1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший від порядкового номера вихідного елемента (рис. 40.2):

^A_ZX → ⁴₂He + ^A-4_Z-2Y.

Рис. 40.2. Під час α-розпаду материнське ядро спонтанно розпадається на дві частини: α-частинку і дочірнє (нове) ядро

2. Під час β^--розпаду кількість нуклонів у ядрі не змінюється, а кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 40.3):

^A_ZΧ → ⁰_-1e + ^A_Z+1Y.

3. Під час β⁺-розпаду кількість нуклонів у ядрі не змінюється, а кількість протонів зменшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю менший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 40.4):

^A_ZΧ → ⁰₊₁e + ^A_Z-1Y.

• Ядро якого елемента утвориться внаслідок β^--розпаду ядра Радію ²²⁸₈₈Ra?

Зверніть увагу! Під час β-розпаду окрім електрона (або позитрона) з ядра вилітає ще одна частинка — антинейтрино або нейтрино. Через дуже малу масу і відсутність заряду ці частинки дуже слабко взаємодіють із речовиною, і це утруднює їх виявлення в експерименті (див. § 43).

4. Основний закон радіоактивного розпаду

Візьмемо закриту скляну колбу, що містить певну кількість Радону-220, — він є радіоактивним, і його ядра спонтанно розпадаються з випромінюванням α-частинок. А чи можна дізнатися, яке саме ядро розпадеться першим? А яке останнім? Ні, дізнатися про це неможливо: розпад того чи іншого ядра радіонукліда — подія випадкова. Водночас поведінка будь-якої радіоактивної речовини підлягає чітко визначеній закономірності: кожний радіонуклід має власний період піврозпаду (див. таблицю). Так, у наведеному випадку, приблизно за 55,6 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 55,6 с із решти залишиться теж половина і т. д. Таким чином, інтервал часу 55,6 с є періодом піврозпаду Радону-220.

Період піврозпаду деяких радіоактивних нуклідів

Радіонуклід	Період піврозпаду
Йод-131	8 діб
Калій-40	1,25 млрд років
Карбон-14	5700 років
Кобальт-60	5,3 року
Плутоній-239	24 тис. років
Радій-226	1600 років
Радон-220	55,6 секунди
Радон-222	3,8 доби
Стронцій-89	50,5 доби
Стронцій-90	28,9 року
Уран-235	0,7 млрд років
Уран-238	4,5 млрд років
Цезій-137	30 років

Період піврозпаду Т_1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда.

Одиниця періоду піврозпаду в СІ — секунда: [T_1/2] = 1 с (s).

де N — кількість ядер радіонукліда, що залишились у зразку через час t; N₀ — початкова кількість ядер; Т_1/2 — період піврозпаду; t — час розпаду.

Рис. 40.5. Графік залежності кількості N ядер радіонукліда, які залишилися в зразку, від часу t. Т_1/2 — період піврозпаду; Ν₀— початкова кількість ядер

5. Активність радіонукліда

І Радон-220, і Радон-222 є α-радіоактивними (їхні ядра можуть спонтанно розпадатися на α-частинку і відповідне дочірнє ядро). Тож якщо кількість атомів Радону-220 і Радону-222 є однаковою, з якого зразка за 1 с вилетить більше α-частинок?

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за секунду, називають активністю А радіоактивного джерела.

Одиниця активності в СІ — бекерель: [А] = 1 Бк (Bq).

1 Бк — це активність такого радіоактивного джерела, в якому за 1 с відбувається 1 акт розпаду: 1 Бк = 1 розпад/с = с^-1.

Якщо зразок містить атоми лише одного радіонукліда, то активність цього зразка можна визначити за формулою:

Α = λΝ ,

де N — кількість атомів радіонукліда в зразку на даний час; λ — стала радіоактивного розпаду — фізична величина, яка є характеристикою радіонукліда та пов’язана з періодом піврозпаду співвідношенням:

Зверніть увагу!

1 бекерель — це дуже мала активність, тому використовують позасистемну одиницю активності — кюрі (Кі):

1 Кі = 3,7 • 10¹⁰ Бк

Із часом у радіоактивному зразку кількість ядер радіонуклідів, що не розпалися, зменшується, тому зменшується й активність зразка (рис. 40.5).

6. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Визначте масу урану (²³⁵₉₂U), який має таку саму активність, що й цезій (¹³⁷₅₅Cs) масою 2 мг.

Підбиваємо підсумки

• Більшість нуклідів, що існують у природі, є радіоактивними: їхні ядра довільно розпадаються, випромінюючи мікрочастинки та перетворюючись на інші ядра. Якщо ядро випромінює α-частинку (ядро атома Гелію), то кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, а протонів — на 2; якщо ядро випромінює β^--частинку (електрон), то кількість протонів у ядрі збільшується на 1; якщо ядро випромінює β⁺-частинку (позитрон), то кількість протонів у ядрі зменшується на 1. І α-розпад, і β-розпад можуть супроводжуватися γ-випромінюванням — високочастотним електромагнітним випромінюванням.

• Період піврозпаду Т_1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер цього радіонукліда.

Контрольні запитання

1. Як було відкрито явище радіоактивності? 2. Наведіть приклади природних радіоактивних елементів. 3. Опишіть дослід із вивчення природи радіоактивного випромінювання. 4. Наведіть означення радіоактивності. 5. Які види радіоактивного випромінювання ви знаєте? Якою є їхня фізична природа? Звідки в ядрі беруться електрони? 6. Як захиститися від радіоактивного випромінювання? 7. Що відбувається з ядром атома під час випромінювання α-частинки? β-частинки? 8. Дайте означення періоду піврозпаду. 9. Що таке активність радіоактивного джерела? Чи змінюється вона з часом?

Вправа № 40

1. Під час радіоактивного розпаду з ядра ²³⁸₉₂U випромінюється α-частинка. На ядро якого елемента перетворюється при цьому ядро Урану-238?

2. Ядро Натрію (²⁴₁₁Na), розпадаючись, випромінює електрон. Який це вид радіоактивного розпаду? Ядро якого елемента при цьому утворюється?

3. Період піврозпаду Радію-226 становить 1600 років. Скільки ядер цього радіонукліда розпадеться за 4800 років, якщо початкова кількість ядер Радію у зразку 10⁹?

4. Період піврозпаду Цезію-137 становить 30 років. Скільки відсотків ядер цього радіонукліда розпадеться за 120 років?

5. В організмі людини вміст Калію становить приблизно 0,19 % її маси; радіоактивний нуклід Калію ⁴⁰₁₉К становить 0,012 % загальної кількості Калію. Скільки ядер цього радіонукліда розпадається за 1 секунду в організмі людини масою 100 кг?

6. Окрім зовнішнього існує небезпека внутрішнього опромінення: радіонукліди можуть потрапити в організм з їжею або водою. Дізнайтесь про причини підвищеної небезпеки цього опромінення та способи захисту від нього.