Строение атома и периодическая система элементов
Скачать 0.96 Mb.
|
Типы и свойства радиоактивного излучения Из курса средней школы известно, что имеются три основных типа радиоактивного излучения: -, - и -лучи. -лучи представляют собой поток ядер гелия, -лучи – поток электронов, -лучи – это электромагнитные кванты с малой длиной волны. Например, радий, выбрасывая -частицу, превращается в радон. Торий (изотоп 23490Th), выбрасывая -частицу, превращается в протактиний. Такие же примеры можно привести и для искусственно получаемых изотопов. Так, изотоп 2411Na, который часто используется как меченый атом, превращается в изотоп магния, выбрасывая -частицу (отрицательно заряженный электрон). -излучение обычно сопровождает радиоактивный распад с выбросом - и -частиц. Кроме трех классических видов радиоактивности, есть и другие, тоже часто встречающиеся. Например, при радиоактивном распаде ядро искусственно получаемого изотопа азота 137N испускает позитрон (положительный электрон) и превращается в изотоп углерода 136C. Иногда при радиоактивном распаде происходит втягивание в атомное ядро электрона с ближайшей к ядру электронной оболочки. Это так называемый электронный захват, или "К-захват". Примером может служить превращение изотопа ванадия 4923V в изотоп титана 4922Ti, которое происходит в результате захвата атомным ядром ванадия одного электрона с К-оболочки. При этом атомный номер элемента уменьшается на единицу, хотя массовое число не изменяется. В ряде случаев при радиоактивных превращениях образуются неустойчивые формы атомных ядер. Например, при облучении брома нейтронами образуется неустойчивый изотоп 8035Br, который затем претерпевает переход в более устойчивое состояние, излучая квант энергии. При таком превращении ни масса, ни заряд ядра не меняются, но в структуре ядра происходят изменения. Такое превращение называется изомерным переходом (ИП). Одно из самых важных явлений, связанных с радиоактивностью, – это реакция деления атомных ядер. Например, изотоп урана 23592U, поглотив нейтрон, превращается в неустойчивый изотоп 23692U, который как бы разваливается на две части, образуя "осколки": 14857La и 8535Br, и , кроме того, выделяет три избыточных нейтрона. Это отнюдь не единственный путь распада. Тот же изотоп 23692U может распадаться по-другому: например, на ядра криптона и бария с одновременным высвобождением двух нейтронов. Однако при любом варианте деления ядра урана на два осколочных ядра с меньшими атомными номерами происходит сопровождающееся выделением колоссального количества энергии смещение по кривой дефекта масс влево вверх, где расположены элементы с меньшим относительным содержанием нейтронов в атомных ядрах. При рассмотрении ядерных превращений, а также ядерных реакций, полезно пользоваться так называемым правилом смещения, сформулированным в 1913 г. К.Фаянсом: при -распаде заряд ядра уменьшается на две единицы, а атомная масса – на четыре. При -распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а масса не меняется. При позитронном распаде масса ядра также не меняется, а заряд ядра уменьшается на единицу. Наконец, при изомерном превращении не изменяются ни заряд, ни масса ядра. Электронный захват и позитронный распад имеют одинаковые последствия. Разница лишь в том, что электрон, внедряющийся в атомное ядро при К-захвате, оставляет свободное место на к-электронной оболочке атома. На это место перескакивают электроны с наружных оболочек. В результате возникает характеристическое излучение с длиной волны, отвечающей уже новому, а не исходному атомному ядру. В соответствии с правилом смещения элемент, испытывающий тот или иной распад, смещается в периодической системе вправо или влево на две или одну клетку (при ИП не смещается). Для фиксации радиоактивного излучения и измерения его интенсивности пользуются счетчиками Гейгера – Мюллера различной конструкции. Обычно это алюминиевая трубка, внутри которой находится специальная газовая смесь и по центру натянута вольфрамовая нить. К вольфрамовой нити и алюминиевой оболочке счетчика приложена разность потенциалов порядка 2000 В. Когда радиоактивная частица через тонкую алюминиевую оболочку попадает внутрь счетчика, она, обладая высокой энергией, ионизирует газ, наполняющий счетчик, как говорят, вызывает "ионную лавину". Разряд быстро прекращается, так как при разряде разность потенциалов между W-нитью и Al-оболочкой счетчика резко уменьшается. Однако, как только разряд прекращается, напряжение быстро возрастает, и новая радиоактивная частица вновь вызывает разряд. Электрические импульсы, возникающие при разряде, преобразуются в звук или фиксируются цифровым табло. Счетчиком Гейгера измеряют число распадов в секунду. Конечно, это относительная скорость, так как число регистрируемых импульсов зависит от конструкции счетчика, расположения образца и других факторов. Пересчет на абсолютную активность ведут, используя эталоны. Единицы, в которых измеряют радиоактивность, называются кюри (Ки). 1 Ки соответствует 3.7 1010 расп/с – это скорость распада 1 г Ra. В лабораторной практике, например, при работе с радиоактивными индикаторами, обычно имеют дело со значительно меньшей радиоактивностью. Соответственно активность таких препаратов измеряется в меньших единицах: милликюри = 1 мКи = 10-3 Ки, микрокюри = 1 мкКи = 10-6 Ки, нанокюри = 1 нКи = 10-9 Ки. В атомной промышленности, напротив, имеют дело с большей радиоактивностью и используют более крупные единицы: килокюри (103 Ки), мегакюри (106 Ки), гигакюри (109 Ки). Интересно, что масса 1 Ки зависит от T1/2 радиоизотопа. Например, препарат полония 210Po (T1/2 = 138.4 сут), имеющий активность 1 Ки, весит 0.2 г, а такой же активности препарат изотопа плутония 239Pu (T1/2 = 24000 лет) весит 16 г, т.е. чем меньше T1/2, тем "легче" кюри. Один из самых активных естественных изотопов – радон – дает активность 1 Ки, будучи в очень маленьком количестве (1.65 мм3 – н.у.). Знаменитый геохимик В.И. Вернадский говорил, что, если бы радон можно было получить в чистом виде, не нашлось бы материала, который выдержал бы температуру, развивающуюся при его распаде, – так активен радон. Проникающую способность -лучей удобно продемонстрировать, используя изотоп 9038Sr, дающий жесткое -излучение и имеющий удобную для практического использования изотопа величину T1/2 (25 лет). Поднося к включенному счетчику препарат стронция-90, мы замечаем, что счетчик улавливает -лучи уже на большом расстоянии. Когда препарат поднесен к "окошку" счетчика вплотную, "треск" счетчика становится сплошным, нельзя уловить отдельных разрядов, говорят, что счетчик "захлебывается". Поставим перед счетчиком лист бумаги – он практически не изменяет интенсивность излучения. Теперь закроем счетчик, к которому поднесен источник -лучей, листками алюминиевой фольги. Чем толще слой алюминия, тем меньше мы слышим щелчков, тем меньше -частиц попадает в счетчик, так как радиоактивное излучение поглощается алюминием. Вот щелчки почти исчезли. Теперь снимем часть толстых алюминиевых пластинок, снова слышны щелчки, снова -частицы попадают в счетчик. Если вместо алюминиевой пользоваться пластинкой из свинца, то оказывается достаточно одной пластины, чтобы щелчки сразу исчезли. Значит, -частицы довольно легко поглощаются веществами с большой атомной массой, а задерживающее действие веществ с малой плотностью (например, бумаги) очень мало. -лучи поглощаются намного труднее, чем -лучи. Источником -излучения может служить радиоактивный изотоп 13755Cs. Поднесем ампулу с 13755Cs к счетчику – раздается очень сильный треск. Положим на счетчик сразу все алюминиевые пластинки, которые в предыдущем опыте почти полностью задержали -лучи – треск останется почти таким же сильным. Положим и свинцовую пластину – эффект очень слабый. Еще один лист свинца несколько уменьшит треск, но он все же еще очень сильный. Поставим перед счетчиком стенку из толстых свинцовых кирпичей – только теперь -лучи поглощены. Плохая поглотимость -лучей приводит к тому, что на -установках всегда приходится устанавливать мощные поглотительные устройства – бетонные стены метровой толщины. -лучи обладают большой энергией, летят со скоростью 20 – 30 тыс. км/с, но из-за большой массы (ядра гелия) очень легко поглощаются различными веществами. В качестве -излучателя воспользуемся препаратом оксида плутония. -частицы, излучаемые плутонием, фиксируются с помощью счетчика другой конструкции, нежели - и -лучи (с помощью так называемого фотоэлектрического счетчика). Достаточно самой тонкой алюминиевой пластины, чтобы задержать -лучи. Экспериментально можно убедиться в том, что в отличие от -лучей, - и -лучи несут заряд. Это можно показать на примере -лучей. Поместим ампулу с радиоактивным изотопом 9038Sr (-излучателем) между полюсами лабораторного электромагнита. Когда магнит не включен, слышен треск – это -частицы, попадая в счетчик Гейгера-Мюллера, фиксируются счетной установкой. После включения магнита треск смолкает, поскольку магнит отклоняет -частицы от прямолинейного пути, и они не попадают в счетчик. Проделаем то же самое с -излучением. Для этого между полюсами магнита поместим ампулу с 13755Cs. При включенном магните счетчик фиксирует сильное -излучение. Выключение магнита не дает никаких изменений, счетчик по-прежнему продолжает фиксировать сильный поток -лучей. Выключим магнит – все остается, как было. Следовательно, -лучи свободно, не отклоняясь, проходят между полюсами магнита, т.е. зарядом не обладают. Радиоактивное излучение обладает способностью ионизировать окружающий воздух. Это свойство можно показать на простом приборе. К металлическому стержню, укрепленному на изолирующей подставке, прикреплены тонкие полоски бумаги в виде султана. Если наэлектризовать эбонитовую палочку трением и зарядить металлический стержень, бумажки, с ним скрепленные, разойдутся в разные стороны из-за взаимного отталкивания, так сказать, встанут дыбом. Поднесем к султану радиоактивное вещество, например, эмаль, содержащую -излучатель, – изотоп прометия 14761Pm. Султан быстро опадает, бумажки перестают отталкиваться друг от друга и от стержня. При повторении опыта происходит все то же самое. Описанное явление имеет важное практическое применение: когда производится прядение волокон, особенно искусственных, возникают заряды статического электричества, которые запутывают волокна. При повышении электропроводности воздуха электростатические заряды быстро стекают с волокон, не накапливаясь на них и не вызывая их спутывания. Таким нейтрализатором статических зарядов служит радиоактивный препарат, ионизирующий окружающий его воздух и способствующий увеличению его электропроводности. Способность радиоактивных лучей ионизировать воздух можно продемонстрировать с помощью электроскопа. Зарядим его эбонитовой палочкой через металлический шарик, имеющийся в верхней части электроскопа. Стрелка прибора указывает, что он заряжен. Изоляция не позволяет электрическим зарядам стекать в землю через подставку, а воздух в обычных условиях мало электропроводен. Приблизив сюда радиоактивный препарат, увидим, что стрелка электроскопа быстро возвращается на нуль – электроскоп разрядился через воздух, ионизированный радиоактивным излучением. Практически важным свойством является также действие радиоактивного излучения на некоторые вещества, способные светиться. Приблизив к эмали, содержащей радиоактивный 14761Pm (-излучатель), экран с веществом, способным светиться, мы наблюдаем появление сине-зеленого свечения. Радиоактивное излучение действует также на светочувствительные материалы, такие как фотобумага, фотопленки и т.д. Фотоматериалы под действием радиоактивного излучения чернеют (светочувствительное вещество разрушается). Это их свойство используется для изготовления простейших счетчиков индивидуального пользования для работающих с радиоактивностью. Контрольные вопросы
Задачи
|
Похожие:
 | Максимальное число электронов в каждой из оболочек, в соответствии со следствием из принципа Паули, равно 2n2, например, сформированная... | | Цели модуля: Обобщить и систематизировать знания о строении атома, знать периодический закон и изменения свойств элементов и соединений... |
 | Периодический закон и периодическая система д. И. Менделеева в свете современных представлений о строении атома | | Методические рекомендации лекционного занятия для студентов по теме: Периодический закон и периодическая система элементов |
| Химия – наука, изучающая вещества, их строение, свойства и превращения. Превращения одних веществ в другие вещества называются химическими... | | Аристотеля. Аристотель и Платон (384322 гг до н э.) полагали, что природа состоит из четырех начал (элементов): огня, земли, воздуха... |
| Электроны различаются своей энергией, чем дальше от ядра расположены электроны тем большим запасом энергии они обладают. Всегда в... | | При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения... |
| Методические указания утверждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин от 17. 10. 2011 (протокол №2) | | Энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия кванта e = hν, где h = 6,62·10-34 Дж·с... |