Фізика. 9 клас. Головко

§ 30. Радіоактивність

• Радіоактивність

• Радіоактивні випромінювання та їх властивості

• Активність радіоактивної речовини. Період піврозпаду

РАДІОАКТИВНІСТЬ. У лютому 1886 р. професор фізики Паризької політехнічної школи А. Беккерель досліджував здатність різних кристалів випускати під дією сонячного світла промені, подібні до рентгенівських. Учений вважав, що кристали під дією світла випускатимуть промені, які можуть діяти на фотографічні пластинки, загорнуті в чорний папір. Між кристалом та платівкою містився екран, виготовлений із мідних дротинок. Тому після проявлення фотопластинка була засвіченою скрізь, крім ділянок, закритих мідними дротинками.

Серед кристалів, з якими працював А. Беккерель, опинилась сіль Урану K₂UO₂(SO₄)₂•2Н₂О. Оскільки в ці дні погода була хмарною, вчений відклав досліди та сховав фотопластинка в шухляду разом із кристалом уранової солі. Коли минуло кілька днів, фотопластинку проявили. При цьому з’ясувалося, що вона потемніла та є чітке зображення мідного екрана, хоча сіль урану й не опромінювали сонячним світлом.

Антуан Анрі Беккерель (1852—1908), французький фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903 р.) та один із першовідкривачів радіоактивності

Марія Склодовська-Кюрі (1867—1934), французький фізик польського походження, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903 р.) та хімії (1911 р.)

П’єр Кюрі (1859—1906), французький фізик, один із перших дослідників радіоактивності, лауреат Нобелівської премії з фізики (1903 р.)

А. Беккерель дійшов висновку, що промені, які діяли на фотопластинку випускає Уран. У 1898 р. Марія Склодовська-Кюрі виявила, що подібні промені випускає Торій, а потім вона разом зі своїм чоловіком П’єром Кюрі відкрила Радій. Подружжя Кюрі назвали це явище радіоактивністю, а речовини, здатні випускати таке випромінювання, — радіоактивними.

Радіоактивність — явище спонтанного перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.

У 1903 р. А. Беккерель став лауреатом Нобелівської премії з фізики за відкриття спонтанної радіоактивності. Разом із ним цієї премії було удостоєне й подружжя Кюрі за дослідження радіоактивного випромінювання. Марія Склодовська-Кюрі також отримала Нобелівську премію з хімії у 1911 р. за відкриття Радію та Полонію, вивчення властивостей радію.

Відкриття радіоактивності, як і всі визначні відкриття в фізиці, не було випадковим. Йому передували ретельні багаторічні дослідження таких видатних учених, як А. Пуанкаре, І. Пулюй, В. Рентген та інших науковців, які стояли у витоків сучасної фізики.

РАДІОАКТИВНІ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ. Під час вивчення фізичної природи радіоактивного випромінювання було з’ясовано, що воно є неоднорідним. У 1899 р. Е. Резерфорд відкрив α- та β-промені, а у 1900 р. французький фізик Пол Вілард відкрив γ-промені, що відрізнялися від α- та β-променів, оскільки не відхилялися у магнітному та електричному полях (рис. 30.1). Детальні дослідження радіоактивного випромінювання дали змогу з’ясувати його природу.

Рис. 30.1. Відхилення радіоактивних променів у магнітному та електричному полях

α-промені — це потік ядер атомів Гелію ⁴₂Не — важких позитивно заряджених частинок масою 4 а. о. м. та зарядом q = 2е, швидкість яких приблизно 10 000 км/с. Пролітаючи крізь речовину, α-частинки поступово втрачають енергію, іонізуючи молекули речовини, і, врешті-решт, зупиняються. За час свого руху одна α-частинка здатна йонізувати сотні тисяч пар йонів. У повітрі довжина вільного пробігу α-частинок становить від 2 до 12 см, а у твердих речовинах менше міліметра. Тому їх легко зупинити аркушем паперу.

β-промені — потік швидких електронів. Швидкості електронів можуть наближатися до швидкості світла. Внаслідок малої маси β-частинки активно розсіюються в речовині йонізуючи її. Щоб затримати β-частинку, досить листа металу товщиною 3 мм.

Особливо небезпечними α- та β-частинки є в разі потрапляння всередину організму людини чи тварини — у легені, шлунок та шкіру.

γ-промені — високоенергетичне електромагнітне випромінювання. Взаємодіючи з електронними оболонками атомів, γ-промені сприяють утворенню швидких електронів, які йонізують середовище. Для їх поглинання потрібен шар свинцю товщиною 20 см.

Саме випускання цих променів й називають радіацією. Радіоактивні речовини й ділянки території, де є небезпека потрапити під вплив радіоактивного випромінювання, позначаються спеціальним знаком безпеки (рис. 30.2). Радіоактивне випромінювання не фіксується органами чуття людини, проте відомо, що воно може призвести до згубних наслідків.

Рис. 30.2. Знак безпеки. Небезпечно. Радіоактивні матеріали

Загальна кількість нуклонів у будь-якому радіоактивному розпаді залишається незмінною — нуклони не зникають і не виникають, відбувається їх перетворення.

Радіоактивні перетворення ядер підпорядковуються правилам зміщення

α-розпад: ^A_ZΧ → ^A^-4_Z_-2Y + ⁴₂Не;

β-розпад: ^A_ZX → ^A_Z₊₁Y + ⁰_-1e.

Рівняння реакції α-розпаду Урану-238 можна записати таким чином: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Торій-234 також радіоактивний і зазнає β-розпаду ²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Ра + ⁰_-1е.

АКТИВНІСТЬ РАДІОАКТИВНОЇ РЕЧОВИНИ. ПЕРІОД ПІВРОЗПАДУ. З практичного погляду важливою характеристикою процесу радіоактивного розпаду є швидкість, з якою розпадається певна радіоактивна речовина. Наявність радіоактивних речовин у середовищі часто буває дуже малою. Оскільки швидкість розпаду радіоактивних ізотопів різна, то однакові за масою радіонукліди мають різну активність. Чим більше ядер розпадається за одиницю часу, тим більша активність.

Активність радіоактивної речовини — фізична величина, яка характеризує інтенсивність радіоактивного розпаду й чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певній радіоактивній речовині за одиницю часу.

Активність позначають латинською літерою А. Одиницею активності в СІ є бекерель (Бк): [А] = Бк.

1 Бк — активність радіонукліда, в якому за одну секунду відбувається один розпад.

Оскільки 1 Бк — дуже мала величина, то в ядерній фізиці часто використовують позасистемну одиницею активності — кюрі (Кі).

1 Кі відповідає активності 1 г радію (1 Кі = 3,7 • 10¹⁰ Бк).

Розпад того чи іншого ядра в певний момент часу є випадковою подією. Не можна сказати, що станеться саме з цим ядром. Явище радіоактивного розпаду має ймовірнісний характер, і який саме атом розпадеться в конкретний момент часу невідомо. Але для великої кількості атомів статистично розпадається половина за час періоду піврозпаду.

Для кожної радіоактивної речовини період піврозпаду є сталою величиною. За одиницю часу з наявної кількості атомів завжди розпадається певна їх частина, яку називають сталою радіоактивного розпаду даного радіоактивного елемента.

Стала радіоактивного розпаду радіонукліда — фізична величина, що характеризує середній час життя атома радіонукліда й чисельно дорівнює частці атомів, що розпадається за одиницю часу, із загальної кількості атомів.

Сталу радіоактивного розпаду позначають малою грецькою літерою λ. Її значення для різних радіоактивних елементів наведено в табл. 30.1.

Таблиця 30.1

Стала радіоактивного розпаду окремих радіонуклідів

Кількість речовини, ядра атомів якої розпадаються, весь час змінюється. Цей процес характеризується періодом піврозпаду (Т) речовини.

Період піврозпаду — фізична величина, що характеризує швидкість розпаду радіонукліда й чисельно дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер певного радіонукліда.

Період піврозпаду, активність та стала радіоактивного розпаду радіонукліда пов’язані співвідношеннями:

Рис. 30.3. Графічне відображення закону радіоактивного розпаду

! Головне в цьому параграфі

α-промені — потік ядер атомів Гелію ⁴₂He, швидкість яких близько 10 000 км/с.

β-промені — потік електронів з швидкостями, що можуть наближатися до швидкості світла.

γ-промені — високоенергетичне електромагнітне випромінювання.

Радіоактивні перетворення ядер підкорюються правилам зміщення

α-розпад: ^A_ZX → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He;

β-розпад: ^A_ZX → ^A_Z₊₁Y + ⁰_-1e.

Активність позначають малою латинською літерою А. Одиницею активності в СІ є бекерель (Бк): [А] = Бк.

1 Бк — активність радіонукліда, в якому за одну секунду відбувається один розпад.

? Запитання для самоперевірки

1. Що є причиною радіоактивного випромінювання? Яка природа α-, β-, γ-випромінювання?
2. Поясніть, чому радіоактивне випромінювання в електростатичному та магнітному полі розкладається на складові (див. рис. 30.1)?
3. Навіщо радіоактивні речовини маркують спеціальним знаком безпеки?
4. Чому не визначають час повного розпаду всіх ядер радіонукліду?
5. Чи змінюється з часом активність радіоактивного зразка?

Вправа до § 30

1 (с). Складіть рівняння радіоактивного α-розпаду Полонію-218, Радію-226.
2 (с). Складіть рівняння радіоактивного β-розпаду Бісмуту-210, Тритію.
3 (д). За який час у препараті з радіоактивністю 20 МБк розпадеться 3 • 10⁷ ядер.
4 (д). У радіоактивному зразку міститься 0,5 моль Йоду-131. Визначте активність зразку.
5 (д). За який час активність зразка Цезію-137 зменшується в чотири рази?
6 (д). Яка маса Урану-235 у радіоактивному зразку активністю 7 кБк?
7 (в). Яка активність зразка масою 13,7 кг, що містить 5 % Цезію-137.
8 (в). Користуючись матеріалом підручника, заповніть таблицю характеристик радіоактивного випромінювання

Тип	Символ	Фізична природа	Заряд	Як захиститись	Як взаємодіє з магнітним полем
Альфа
Бета
Гамма

Зміст