Радиоактивность. виды и законы радиоактивного излучения — в помощь студенту

Открытие радиоактивности. Естественная радиоактивность и ее виды. Закон радиоактивного распада

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Виды радиоактивных излучений. В 1896 г. французский физик А. Беккерель установил, что некоторые встречающиеся в природе минералы (соли урана) испускают лучи, которые не были к тому времени известны.

Вещества, испускающие особые излучения, были названы радиоактивными, а свойство вещества, связанное с наличием этих излучений, — радиоактивностью.

Изучением радиоактивности занялись Мария и Пьер Кюри, Эрнест Резерфорд и другие ученые. Супруги Кюри обнаружили, что некоторые урановые руды обладают способностью испускать излучение, в несколько раз превосходящее по интенсивности излучение урана. Они выделили из этих руд новые химические элементы — радий

и полоний .

Через несколько лет после открытия Беккереля было установлено, что радиоактивное излучение по составу неоднородно. С помощью установки, схема которой изображена на рис., было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивным элементом, в магнитном поле разделяется на три вида, которые назвали α, β- и γ-лучами.

По направлению отклонения лучей в магнитном поле можно сделать вывод, что α-лучи — это поток частиц, имеющих положительный заряд, β-лучи —отрицательный заряд, γ-лучи, на которые магнитное поле не действует, — нейтральны. Дальнейшие исследования показали:Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Порядок рассмотрения земельных споров - в помощь студенту

Оценим за полчаса!
  • • альфа-лучи — это поток α-частиц, представляющих собой ядра гелия ;
  • • β бета-лучи — это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме;
  • • γ гамма-лучи — это электромагнитное излучение, частота которого превышаетчастоту рентгеновского излучения.

Альфа-излучение представляет собой поток быстро летящих положительно запряженных ядер гелия. Альфа-излучение наблюдается, как правило, у тяжелых радиоактивных элементов (радий, уран и др.). Ионизирующая способность альфа-частицы огромна; на своем пути в воздухе она образует до 150 000—200 000 пар ионов.

В то же время проникающая способность альфа-лучей ничтожна; в воздухе они пробегают до 9 см, в воде и тканях тела — лишь несколько десятков микрон. Лист бумаги или алюминиевая фольга толщиной 0,05 мм задерживает альфа-излучение.

Поэтому внешнее облучение альфа-лучами не представляет опасности; достаточно отдалить источник на несколько сантиметров от тела или установить между ними тонкий экран, чтобы излучение было полностью поглощено.

Однако при попадании внутрь организма альфа-излучатели вследствие большой ионизирующей силы являются наиболее опасными; вся энергия их излучения поглощается в малом объеме ткани и дает интенсивный эффект. Поэтому при одном и том же количестве поглощенной тканями энергии альфа-излучение дает в 10 раз больший биологический эффект, чем гамма и бета-излучение.

Бета-излучение представляет собой поток быстролетящих электронов с различной энергией. Среди естественных и искусственных радиоактивных изотопов многие распадаются с образованием бета-излучения.

Бета-излучение вызывает во много раз большую ионизацию среды, чем гамма-излучение. Но бета-излучение обладает меньшей проникающей способностью, чем гамма-лучи.

В зависимости от энергии электронов пробег их в воздухе составляет от долей миллиметра до 15 м, в воде и тканях человеческого тела—в среднем 4-10 мм при максимуме 17,4 мм. Слой стекла, плексигласа или алюминия толщиной в несколько миллиметров полностью задерживает бета-излучение.

В связи с указанными свойствами бета-излучатели значительно опаснее при попадании внутрь организма, чем при внешнем облучении его. В последнем случае они сильнее всего воздействуют на глаза и кожные покровы.

Гамма-излучение представляет собой поток фотонов электромагнитного излучения. Гамма-излучение по сравнению с другими имеет наименьшую ионизирующую силу.

Гамма-лучи обладают большой проникающей способностью: в воздухе они пробегают десятки и сотни метров, пронизывают человеческое тело и даже слой свинца толщиной в несколько сантиметров не задерживает их полностью.

Поэтому радиоактивные изотопы гамма-излучатели могут оказывать действие на человеческий организм не только в том случае, если они проникли внутрь его через легкие, пищеварительный тракт или поврежденную кожу (внутреннее облучение), но и тогда, когда они находятся вне организма даже на значительном расстоянии от него (внешнее облучение).

Исследования показали, что радиоактивность сопровождается превращениемхимических элементов и не зависит от того, находится вещество в виде чистого элемента или соединения, а также от внешних условий (температуры, давления и др.). Отсюда следует, что радиоактивность является свойством атомных ядер.

Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называется естественной радиоактивностью.

Правила смещения. Превращения атомных ядер, сопровождающиеся α- и β- излучениями, называют α- и β-распадами соответственно. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским; ядро, возникающее после распада, — дочерним. Испускание ос-частицы материнским ядром приводит к образованию дочернего ядра, массовое число которого меньше на 4 единицы, а зарядовое —

меньше на 2 единицы, чем у исходного ядра, т. е. в результате α-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы. Например, при испускании α-частицы ядром радия Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

(Z = 88, А = 226) возникает ядро радона

(Z = 86, А = 222):

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Бета-распад не изменяет массовогочисла, а зарядовое увеличивается на 1,

т. е. порядковый номер элемента возрастает на одну единицу. Например, при

β-распаде ядра возникаетядро:Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

При β-распаде в ядре происходит превращение нейтрона в протон. Гамма-излучение сопутствует перегруппировке нуклонов внутри ядер, при которой числа Z(число протонов) и А(массовое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре атома) не меняются.

  1. В общем виде смещение ядер в Периодической системе элементов при радиоактивных распадах подчиняется правилам (правила смещения), которые записываются так:Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту
  2. при α-распаде
  3. при β-распадеРадиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту
  4. Здесь X — символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;
  5. Y — то же для дочернего ядра; — ядро изотопа гелия; — символэлектрона.

Получившееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро может также оказаться радиоактивным и т. д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений элементов.

В природе известны три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются изотопы Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Конечными продуктами во всех случаях являются изотопы свинца.

Правила смещения вытекают из законов сохранения заряда и массового числа при радиоактивных распадах. Ядерные спектры. Опытами установлено, что

γ-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности. Гамма-излучение сопровождает процессы α- и β-радиоактивных распадов. Рассмотрим, как ядро испускает γ излучение.

Пусть материнское ядро, испустив α-частицу, превращается в дочернее ядро. Последнее, как правило, находится в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное или в менее возбужденное состояние, дочернее ядро испускает γ-фотон.

Разность энергий между возбужденным и нормальным состоянием дочернего ядра равна энергии излученного у-фотона.

Механизм испускания γ-фотонов ядром такой же, как и механизм излучения фотонов атомом, который, переходя из возбужденного состояния в нормальное, испускает фотон оптического или рентгеновского излучения. Однако энергия γ-фотонов гораздо больше, чем энергия оптических фотонов.

Это связано с гораздо большими разностями в энергетических уровнях ядра по сравнению с разностью уровней электронных оболочек атома. Электронные энергетические уровни в атоме раздвинуты на энергии порядка 1 эВ, энергии же ядерных уровней раздвинуты примерно на 0,1 МэВ.

Измерение энергии γ-фотонов показало, что энергетический спектр γ-фотонов является линейчатым.

Закон радиоактивного распада. Для характеристики продолжительности жизни радиоактивных ядер вводится величина, называемая периодом полураспада Т1/2).

  • Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.
  • Очевидно, что период полураспада Т1/2 равен также времени, по прошествии которого нераспавшейся остается половина исходного количества ядер.
  • Периоды полураспада радиоактивных изотопов лежат в широком диапазоне, например: для изотопа свинца = 1,4 10 лет, для изотопа полония = 3 10 7 с.

Из-за относительно малого периода полураспада химические элементы, расположен- ные в периодической системе за ураном (трансурановые), не сохранились в земной коре. Химические элементы с Z > 92 получают искусственным путем.Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

  1. Закон радиоактивного распада записывается в видеРадиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту
  2. где N0 — начальное число радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинается наблюдение,
  3. N — число ядер, не испытавших распада до некоторого произвольного момента времени t,
  4. Tl/2 — период полураспада.

На рис. приведен график, иллюстрирующий закон радиоактивного распада: пооси ординат отложено число радиоактивных ядер, по оси абсцисс — время. Как видно из

графика, число нераспавшихся ядер в течение любого интервала времени, равного периоду полураспада, уменьшается в 2 раза. Закон радиоактивного распада является

статистическим, т. е. он выполняется для большого числа ядер. Чем больше будет общее число исходных ядер, тем точнее выполняется этот закон. Для малого числа ядер этот закон применять нельзя.

  • Выполнить задание:
  • а)Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называют _______;
  • б)Правила смещения- следствие законов_____________________________________ ;
  • в) Период полураспада- ________________________________________________;
  • г) При β-распаде в ядре происходит превращение _____________________________ ;
  • д) Материнским ядром называется__________________________________;
  • у) Дочерним называется ядро___________________________________________;

а) На рисунке изображена схема опытов но исследованию радиоактивных излучений в электрическом и магнитном полях. Каковы направления отклонения α-, β- и γ-лучей? Изобразите па рисунке. Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Б) Записать закон радиоактивного распада:

  1. где
  2. в) Можно ли ускорить радиоактивный распад?
  3. г) Как изменяется заряд и масса ядра при α-распаде?
  4. д) Какие процессы происходят в ядре при γ-излучении?
  5. е) Напишите, ядра каких элементов образуются в результате радиоактивного распада:

Источник: https://infourok.ru/informacionniy-list-po-fizike-na-temu-otkritie-radioaktivnosti-estestvennaya-radioaktivnost-i-ee-vidi-zakon-radioaktivnogo-raspa-1013322.html

Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения

Открытие
явления радиоактивности определило развитие науки и общества в течение всего XX
века. Возможно, исследование радиоактивности и ядра атома стало важнейшим, что
произошло в науке того времени.

История, которая привела к открытию
радиоактивности, началась 8 ноября 1895 года, когда немецкий физик Вильгельм Конрад
Рёнтген проводил опыты с катодной трубкой.

Дело было в ноябре, когда темнело
рано, а рядом с экспериментальной установкой стоял экран, пропитанный раствором
люминофора, и Рёнтген неожиданно обнаружил лёгкое свечение этого экрана.

Взяв
кусочек свинца и поднеся его к экрану учёный увидел удивительную вещь: на
экране была тень от пальцев, на которой он увидел свои кости. Никто раньше не
мог увидеть свой собственный скелет. Это открытие вызвало ажиотаж не только в
научных кругах, но и в обществе.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Когда
было обнародовано сообщение об этом открытии во Франции Беккерель решил
установить возможную связь между явлением люминесценции и таинственными лучами.
Экспериментируя с солями урана, Беккерель завернул фотопластинку в плотную
чёрную бумагу, положил на неё сверху несколько кусочков урановой соли и
выставил всё это на солнечный свет.

После проявления фотопластинки на ней
обнаружились тёмны пятна в тех местах, где лежали крупинки соли. Учёный полагал,
что это излучение возникает под действием солнечных лучей. Но однажды, в
феврале 1896 года, провести очередной опыт ему не удалось из-за плохой погоды.

Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на неё сверху медный крест,
покрытый солью урана.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Два
дня спустя Беккерель на всякий случай проявил фотопластинку и с удивлением
обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени креста.

Читайте также:  Полное приращение и полный дифференциал - в помощь студенту

23 марта 1896 года
Беккерель продемонстрировал результаты опытов на заседании Парижской академии
наук, предположив, что обнаружил разновидность фосфоресценции, но не обычной, а
«невидимой и долгосрочной».

В том же 1896 году Беккерель убедился, что открытое
им излучение не является фосфоресценцией, так как оно, подобно рентгеновским
лучам, ионизирует воздух и разряжает электроскоп.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Однако
учёный долго не хотел принимать этот факт. В 1897 году он сделал лишь один доклад,
в котором резюмировал результаты своей работы.

В частности, он объявил о
разряжении электроскопа урановыми лучами и о том, что интенсивность
самопроизвольного излучения определяется только количеством урана в препарате и
совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит.

Отсюда
следовало, что это свойство присуще не соединениям, а самому химическому
элементу урану, точнее — его атомам.

После
этого Беккерель вернулся к изучению фосфоресценции, оставив теорию «урановых
лучей» в зачаточном состоянии. Но исследования Беккереля стали фундаментом для
работ других французских учёных — супругов Пьера и Марии Кюри.

Систематическое
исследование руд, содержащих уран, с помощью пьезоэлектрических весов,
разработанных Пьером и его братом Жаком, квадрантного электрометра и
ионизационной камеры, подсоединённой к батарее, позволило Марии Склодовской-Кюри
к началу 1898 года открыть радиоактивность ряда веществ, в том числе тория.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

13
июня того же года супруги Кюри смогли выделить новый, ранее неизвестный
химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Кюри — Польши.

В
середине ноября супруги Кюри вернулись к своим опытам и буквально через месяц
смогли выделить новый химический, который был в 2—3 миллиона раз активнее урана.
20 декабря новый элемент в лабораторной книге Кюри получил название «радий»,
что по латыни означает «лучистый».

Тридцатого
(30) января тысяча восемьсот девяносто девятого (1899) года Мария Склодо́вская-Кюри
опубликовала статью «Лучи Беккере́ля и поло́ний», в которой впервые
вводит термины «радиоактивность» и «радиоактивный элемент».

В
течение четырёх лет Мария Склодовская-Кюри работала над выделением радия, одного
из новых элементов, и к 1902 году было получено порядка 100 мг радия. Казалось
бы, что особенного: ещё один химический элемент, их открывают до сих пор. Но
это было не просто открытие ещё одного элемента.

Радий обладал уникальными
свойствами: самопроизвольно разогревался, светился в темноте. У учёных оказался
важнейший исследовательский инструмент в руках.

Они стали изучать излучение,
которое испускает радий, пытались понять природу энергии, которая заставляет
его греться, светиться и испускать лучи.

Была
проведена серия экспериментов с препаратами радия. К ним можно отнести
эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, которые в итоге привели к
представлениям о строении атома, к понятию о том, что внутри атома есть ядро,
которое положительно заряжено.

Были проведены первые ядерные реакции, то
есть превращение одних элементов в другие
с помощью излучения радия. Удалось
установить, что при распаде радия образуются новые химические элементы, и была
выяснена природа радиоактивности.

Стало понятно, что радиоактивность — это
процесс самопроизвольного превращения
ядер неустойчивых изотопов одного
химического элемента в ядра изотопов других химических элементов,
сопровождающееся испусканием элементарных частиц, гамма-квантов или более
лёгких ядер.

Так был положен конец представлениям, которые бытовали в химии
на протяжении столетий, о неизменности химических элементов.

После
открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их
излучения. В 1899 году уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд поставил
классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного
излучения.

Установка состояла из толстостенного свинцового ящика внутрь
которого помещались крупицы урановой соли. Из ящика сквозь узкое отверстие
выходил направленный и сфокусированный пучок радиоактивного излучения и попадал
на фотопластинку.

После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно
тёмное пятно в том месте, куда попадал пучок.

Однако
оказалось, что если пропустить излучение урана через магнитное поле, то
излучение разделяется на два компонента, которые позже были названы альфа- и бета-лучами
согласно первым буквам греческого алфавита.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

В
1900 году Беккерель первым измерил (приблизительно) отношения заряда к массе бета-частиц
и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей.

Проще
говоря, бета-лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростями,
близкими к скорости света.

Отсюда следовало, что при бета-распаде ядро атома
теряет один электрон, в результате чего образуется ядро нового элемента с тем
же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше, чем у
материнского ядра:

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Здесь
важно понимать, что электрон теряет не атом (в этом случае образовался бы
положительный ион), а ядро атома в результате, как оказалось, распад нейтрона на
протон, электрон и ещё какую-то нейтральную безмассовую частицу:

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

В
1932 году американский физик Карл Андерсон при наблюдении космического
излучения с помощью камеры Вильсона смог сфотографировать следы частиц, которые
очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного
поля, противоположный следам электронов.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Это
свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Андерсон
назвал эти частицы «позитронами». Дальнейшие исследования позитронов
показали, что их масса равна массе электрона, а заряд — модулю заряда
электрона.

В
1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли ещё один источник позитронов — бета
плюс-радиоактивность.

Таким
образом, существует два вида бета-распада:

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Интересно,
что изучение бета-распада показало, что в нём как-бы нарушаются два
фундаментальных закона: закон сохранения энергии и импульса. Поэтому 4 декабря 1930
года швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули предположил, что при бета-распаде
рождается ещё какая-то частица, которая и уносит часть энергии и импульса.

Паули назвал её нейтроном. Однако впоследствии, как мы знаем, «нейтроном» была
названа другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав
атомных ядер.

А предсказанная Паули частица в работах итальянца Энрико Ферми 1933—1934
годов на итальянский манер была названа «нейтрино», что в переводе означает
«нейтрончик».

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Свойства
нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и
очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому
оно было экспериментально обнаружено только в середине 50-х годов ХХ в.
американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коуэном.

Фактически
в любом веществе нейтрино ведёт себя так, как будто вещества нет. Например, если
бы железная плита имела толщину, равную расстоянию от Земли до Солнца, то она
задержала бы лишь одно из ста миллионов нейтрино. Поэтому нейтрино свободно
пронизывает космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные
тела.

  • Таким
    образом, при бета минус-распаде ядра самопроизвольно испускают электрон и
    электронное антинейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым
    массовым числом, но с атомным номером на единицу больше:
  • При
    бета плюс-распаде ядра самопроизвольно испускают позитрон и электронное
    нейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым массовым числом, но
    с атомным номером на единицу меньше:
  • Отметим,
    что свободный протон, в отличие от нейтрона, стабилен. Однако в ядре становится
    возможным бета плюс-превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и
    нейтрино:
  • Существует
    ещё третий вид превращений ядер с участием бета-частиц, который называется электронным
    или е-захватом. При электронном захвате один из протонов ядра
    захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное
    нейтрино:

Но
вернёмся к опытам по исследованию радиоактивности. В 1900 году французский
физик Поль Вийяр при исследовании отклонение альфа- и бета-лучей в излучении
радия обнаружил и третий, ранее неизвестный вид лучей, не отклоняющихся даже в
самых сильных магнитных полях.

Вийяр
был скромным человеком, и не предложил конкретного названия для излучения,
которое он обнаружил. Поэтому в 1903 году Эрнест Резерфорд предложил назвать
лучи Вийяра гамма-лучами, потому что они были гораздо более проникающими, чем
альфа- и бета-лучи, открытые им ранее.

Поль
Вийяр также показал, что открытый им вид излучения характеризуется чрезвычайно
малой длиной волны и, вследствие этого, обладает ярко выраженными
корпускулярными свойствами. В дальнейшем было доказано, что гамма-излучение
представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию.

Труднее
всего было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются
магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду
в 1913 году.

Для начала он смог измерить отношение заряда частицы к её массе по
отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у
протона — ядра атома водорода.

Отсюда следовало, что у альфа-частицы на один
элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.

Затем
Резерфорд поместил на пути частиц счётчик Гейгера и с его помощью измерил число
частиц, испускаемых радиоактивным препаратом за определённое время.

Затем
он поставил на место счётчика металлический цилиндр, соединённый с
чувствительным электрометром. С помощью электрометра учёный мог измерить заряд
частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как
радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем.

Зная суммарный
заряд альфа-частиц и их число, Резерфорду не составило труда определить заряд
одной альфа-частицы. Он оказался равным двум элементарным. Собрав результаты трёх
опытов воедино, учёный установил, что на два элементарных заряда альфа-частицы
приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же
относительную атомную массу имеет ядро гелия.

То есть альфа-частица — это ядро
атома гелия, потерявшее два своих электрона.

Следовательно,
продуктом распада материнского ядра оказывается элемент, зарядовое число
которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше, чем
у материнского ядра:

В
том же году американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди особенности
альфа- и бета-распада были сведены в общее правило — правило смещения: при
α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно
на 4 а. е. м. В результате элемент смещается на две клетки к началу
Периодической системы. При β−-распаде элемент смещается
на одну клетку ближе к концу, а при β+-распаде — на одну клетку
ближе к началу Периодической системы.

В
заключение урока отметим одну очень важную особенность явления радиоактивности:
при всех ядерных превращениях сохраняются массовые и зарядовые числа, а также
выполняются все известные законы сохранения.

Источник: https://videouroki.net/video/50-radioaktivnost-vidy-radioaktivnogo-izlucheniya.html

Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студентуРадиактивный распад в электрическом поле

  Радиоактивность

Все знают, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро – это очень устойчивое образование, которое сложно разрушить.

 Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы. Это излучение называют радиоактивным.

Оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение (альфа-, бета- и гамма-излучение).

Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.

Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации.
Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях. Он открыл две составляющие этого излучения, которые были названы α-, β-излучением.

На рисунке изображено радиоактивное излучение в электрическом поле.

  • a —  излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц (ядер гелия), движущихся со скоростью около 107 м/с. Вследствие положительного заряда  – частицы отклоняются электрическим и магнитным полями.
  • β — излучение — это поток быстрых электронов. Электроны —e значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. Обладают скоростью от 108 м/с до0,999с. Из-за наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическим и магнитным полями в противоположную сторону по сравнению с β  – частицами.
  • γ –  излучение — это фотоны, т.е. электромагнитное излучение, несущее энергию. Оно не отклоняется электрическим и магнитным полями. Параметры ядра при излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Было установлено, что проникающая способность оказалась самая малая у α- -лучей (лист бумаги или несколько сантиметров слоя воздуха),
а β-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ — лучей (например, алюминий — толщина пластины десятки сантиметров).

Итак, радиоактивность свидетельствует о сложном строении атомов.
Специальные приборы, которые применяются для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, которые обнаруживают ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества.

Это — газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы сквозь нее виден на фотографии после проявления.

 Влияние ионизирующей радиации на живые организмы
Радиоактивное излучение оказывает сильное биологическое действие на ткани живого организма. Оно ионизирует атомы и молекулы среды. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения.

Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студентуБумага задерживает только альфа-излучение
Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студентуСтекло задерживает только альфа- и бета-излучение
Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студентустальной лист задерживает только альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение
Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студентубетонная плита задерживает только альфа-,бета-, гамма- и и нейтронное излучение

Источник: http://kaplio.ru/radioaktivnost-vidy-radioaktivnyh-izluchenij-i-metody-ih-registratsii-vliyanie-ioniziruyushhej-radiatsii-na-zhivye-organizmy/

Виды и законы радиоактивного излучения

В 986 году Антуаном Беккерелем было обнаружено ранее неизвестное излучение солей урана. Спустя два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после исследования урановой руды смогли открыть новые элементы, названные полонием и радием. Они выдавали более интенсивное излучение по сравнению с ураном. Имея аналогичную массу, интенсивность излучения была больше в 1010, а радия в 2·107 раз.

В это же период времени Э. Резерфорд после пропускания излучения через однородное магнитное поле пришел к выводу о том, что оно включает в себя два компонента с разноименными частицами. На рисунке 1 приведена схема опыта Резерфорда, где имеются:
1 – фотопластинка, 2 – направление индукции магнитного поля, 3 – свинцовый контейнер, 4 – радиоактивное вещество, 5 – отвод для вакуумного насоса.

Читайте также:  Понятие, классификация и оценка нематериальных активов - в помощь студенту

Компонента с положительно заряженными частицами получила название α-лучей, компонента с отрицательными – β-лучей. Позже было выявлено, что β-лучи включают в себя поток электронов, а α-лучи – поток ядер атома гелия.

В 1900 году П. Виллард обнаружил третью компоненту, которая не поддавалась влиянию магнитного поля.

Она получила название γ-лучей, являющихся потоком фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электромагнитного излучения.

Определение 1

Радиоактивностью называют явление, которое происходит при излучении выше указанными изотопами («radius» — луч).

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

Рисунок 1

Виды излучения

Определение 2

Радиоактивностью считают спонтанное образование изотопов химических элементов, которое обусловленное распадом ядер.

Основываясь на это, выделяют:

  • α-распад (А. Беккерель, 1896 год);
  • δ-распад:
    • β—распад (А. Беккерель, 1896 год);
    • β+распад (И. та Ф.Жолио-Кюри, 1934 год);
    • K-захват (Л. Альварес);
  • спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К.А. Петржак, 1939 год);
  • p-распад:
    • однопротонный (Г. М. Фльоров, 1963 год);
    • двухпротонный.

γ-излучение не относят к видам радиоактивного распада, так как оно не меняет состав ядра, а только свою энергию. Оно может возникать когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии. Переход из состояния с высшей энергией в состояние с низшей сопровождается γ-излучением.

Основываясь на опытах, было доказано, что связанные с ней процессы протекают в самом ядре. Никакие внешние факторы не могут повлиять на скорость радиоактивного распада. Он не находится в зависимости от характера химического соединения, к которому проникает изотоп, и его агрегатного состояния.

Нестабильные ядра характеризуются природной радиоактивностью. Ядра стабильных изотопов могут становиться радиоактивными в результате облучения, что говорит об искусственной радиоактивности. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.

Зоны радиоактивного распада

Радиоактивный распад характеризуется своей произвольностью, к большей совокупности ядер применимы статистические законы.

Каждое радиоактивное ядро имеет определенную вероятность λ того, что оно распадется за единицу времени. При существующем моменте времени t имеется N количество радиоактивных ядер, тогда их среднее количество dN, распадающееся за время dt, пропорционально определенному количеству ядер N и величине λ, отсюда следует,

λ получила название постоянной распада. Она считается характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак «-» говорит об уменьшении количества радиоактивных ядер. Проинтегрировав формулу, получим:

Формула явно выражает закон радиоактивного распада. Заметно, что уменьшение количества ядер происходит по экспоненциальному закону. Его относят к статистическому и справедливому для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа.

Закон и опыты подтверждают друг друга. Величина N показывает не количество ядер, которые ужа распались, а количество радиоактивных ядер в момент времени t. Периодом полураспада называют распад половины начального количества ядер за время T.

Зачастую, возникающий в результате радиоактивного распада изотоп радиоактивный, что влечет за собой появление цепочки радиоактивных преобразований. При распаде ядер радиоактивного изотопа появляются другие ядра иного изотопа, являющиеся радиоактивными.

Определение 3

Состояние, которое соответствует вышеприведенному неравенству, получило название состояния насыщения. Еще одно название равенства – условие радиоактивного равновесия. Его физический смысл заключается в возможности компенсирования увеличением распада дочерних ядер по причине распада материнских.

Оценка радиоактивного излучения

Радиоактивные препараты характеризуются активностью, равняется количеству распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: A=Nt. Значение мгновенной радиоактивности – dNdt.

Единицей активности препарата считается один распад за секунду – беккерель (Бк). Зачастую применима внесистемная единица распада – Кюри (Ки): 1 Ки=3,7·1010 Бк.

Определение 4

Количественная оценка действий радиоактивного и рентгеновского излучения на вещество – доза облучения. Их делят на экспозиционную дозу поглощения, эквивалентную дозу.

Определение 5

Экспозиционная доза Dэксп– это мера ионизации рентгеновского и γ-излучения в воздухе, численно равная отношению суммарного заряда ионов одного знака ∆Q, созданных в воздухе при помощи вторичных частиц (электронами и позитронами, образующимися в элементарном объеме при их полном торможении) до массы ∆m воздуха в этом объеме Dэксп=∆Q∆m и измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Широкое распространение на практике получила единица, называемая рентген (Р), 1P=2,58·10-4 Кл/кг.

Определение 6

Определение дозы поглощения Dпогл выполняется при помощи соотношения энергии ∆E, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе ∆m вещества в этом объеме Dпогл=∆E∆m. Измеряется в греях (Гр), 1 Гр=1 Дж/кг. Широкое распространение также получила единица, называемая радиан, 1 рад=0,01 Гр.

Определение 7

Определение эквивалентной дозы Dэкв выполняется как произведение поглощенной дозы Dпогл на коэффициент ионизирующего излучения K, то есть Dэкв=KDпогл. Ее единица измерения аналогичная единице измерения дозы поглощения.

В системе СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв), соответствующей поглощенной дозе в 1 грей при K=1.

Широкое распространение получила специальная единица измерения эквивалентной дозы, соответствующая биологическому эквиваленту рентгена (бер), то есть совпадает с поглощенной дозой в 1 рад при K=1 (1 бер=0,01 Зв).

Искусственная радиоактивность

В 1934 году Иреной и Фредериком Жолио-Кюри было выявлено становления алюминия радиоактивным после облучения α-частицами.

Искусственная радиоактивность ядерных преобразований действует в два этапа. Первый характеризуется преобразованием ядра в радиоактивное под действием частиц.

Второй – спонтанный радиоактивный распад созданного ранее ядра, происходящий согласно экспоненциальному закону.

Выявили, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов α-частицами, протонами, нейтронами, дейстронами и γ-квантами появляются ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых подчиняется по тому же закону.

За последнее время было получено достаточное количество радиоактивных изотопов. Во время бомбардировки частицами высоких энергий ядер изотопов, находящихся в конце периодической таблицы, создавали искусственные ядра, которые стали основателями радиоактивных семей с малым временем жизни.

Бомбардируя T90232h дейтронами с энергией 690 МэВ, образовывались радиоактивные ядра P91227a. Реакция выглядит следующим образом:

Для изображения распада ядер P91227a используется:

Такие искусственные радиоактивные элементы преимущественно β-активные, притом β- или β+-активные, узнаются по специальной диаграмме зависимости количества нейтронов от количества протонов в ядре для стабильных и радиоактивных ядер, как показано на рисунке.

Расположение стабильных ядер присуще узкой зоне, ограниченной кривыми 1 и 2. Изотопы, для которых соотношение N/Z>Nст/Zст превышает значение, что отвечает 1, принадлежащей области протонодефицитных ядер I.

Прохождение такого распада может протекать с уменьшением N/Z, то есть при сокращении количества нейтронов N в ядре. В ядре происходят преобразования вида n→p+e-+v~e.

Отсюда следует, что протонодефицитные ядра во время радиоактивного распада характеризуются распадом
β-частиц. И наоборот, ядра, располагаемые в области II, нейтронодефицитных ядер

Процесс создания искусственных радиоактивных ядер также относят к делению тяжелых ядер. При делении ядер U92235могут быть созданы два новых, относящихся к протонодефицитным, именно поэтому аналогичные ядра способны излучать β-частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем после излучения электронов, еще могут излучать γ-кванты. Теперь возможно получать радиоактивные изотопы с высокой активностью. Это открывает возможности для создания компактных источников радиоактивности, широко используемые в науке и технике.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/vidy-radioaktivnogo-izluchenija/

Понятие радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Термин «радиоактивность», получивший название от латинских слов «radio» – «излучаю» и «activus» – «действенный», означает самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием гамма-излучения, элементарных частиц или более лёгких ядер.

В основе всех известных науке типов радиоактивных превращений лежат фундаментальные (сильные и слабые) взаимодействия частиц, входящих в состав атома.

Неизвестный до этого вид проникающего излучения, испускаемого ураном, обнаружил в 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель, а в широкий обиход понятие «радиоактивность» ввела в начале 20-го века Мария Кюри, которая, исследуя невидимые лучи, испускаемые некоторыми минералами, сумела выделить  чистый радиоактивный элемент – радий.

Отличия радиоактивных превращений от химических реакций

Главная особенность радиоактивных превращений заключается в том, что они происходят самопроизвольно, в то время как для химических реакций в любом случае требуются какие-либо внешние воздействия.

Кроме того, радиоактивные превращения протекают непрерывно и всегда сопровождаются выделением определенного количества энергии, которое зависит от силы взаимодействия атомных частиц между собой.

На скорость протекания реакций внутри атомов не влияет ни температура, ни наличие электрического и магнитного полей, ни применение самого эффективного химического катализатора, ни давление, ни агрегатное состояние вещества. Радиоактивные превращения не зависят ни от одного внешнего фактора и не могут быть ни ускорены, ни замедлены.

Закон радиоактивного распада

Интенсивность радиоактивного распада, а также его зависимость от количества атомов и времени, выражена в Законе радиоактивного распада, открытом Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди в 1903 году.

Для того чтобы прийти к определенным выводам, нашедшим впоследствии свое отражение в новом законе, ученые провели следующий эксперимент: они отделяли один из радиоактивных продуктов и изучали его самостоятельную активность отдельно от радиоактивности вещества, из которого он был выделен. В итоге, было обнаружено, что активность любых радиоактивных продуктов вне зависимости от химического элемента со временем уменьшается в геометрической прогрессии. Исходя из этого, ученые сделали вывод, что скорость радиоактивного превращения всегда пропорциональна числу систем, которые еще не подверглись превращению.

Формула Закона радиоактивного распада выглядит следующим образом:

Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения - в помощь студенту

согласно которой число распадов −dN, произошедшее за период времени dt (очень короткий интервал), пропорционально числу атомов N. В формуле Закона радиоактивного распада есть еще одна важная величина – постоянная распада (или обратная величина периода полураспада) λ, которая характеризует вероятность распада ядра в единицу времени.

Какие химические элементы являются радиоактивными?

Нестабильность атомов химических элементов – это, скорее, исключение, чем закономерность; в большинстве своем они стабильны и с течением времени не изменяются.

Однако есть определенная группа химических элементов, атомы которых более других подвержены распаду и, распадаясь, излучают энергию, а также выделяют новые частицы.

Самыми распространенными химическими элементами являются радий, уран и плутоний, обладающие способностью превращаться в другие элементы с более простыми атомами (так, например, уран превращается в свинец).

Источник: http://rb.mchs.gov.ru/about_radiation/O_radiacii/Radiacija_i_zdorove/item/7071

Виды радиоактивных излучений. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Характерным признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизвольность этого процесса.

Виды радиоактивных излучений:

Альфа излучения – это поток положительно заряженных частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проникающая способность этого излучения невелика. Оно задерживается несколькими сантиметрами воздуха ,несколькими листами бумаги, обычной одеждой. Альфа излучение может быть опасно для глаз.

Бета излучения – это поток движущихся с огромной скоростью отрицательно заряженных электронов, размеры и масса которых намного меньше, чем альфа частиц. Это излучение обладает большой проникающей способностью. От него можно защититься тонким слоем металла или слоем дерева толщиной в 1.25 см.

Гамма излучения, подобно рентгеновским лучам, представляет собой электромагнитное излучение сверхвысоких энергий. Это излучение очень малых длин волн и очень высоких частот.

Гамма излучения обладают высокой проникающей способностью, защититься от него можно лишь толстым слоем свинца или бетона. Такие излучения не несут заряда и могут повредить любые органы.

Основной закон радиоактивного распада.

N = N0 e –λt , где λ – постоянная распада, N0- начальное число радиоактивных ядер.

Число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

52.Ионизирующим излучениемназывается любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию ионов разных знаков.

Взаимодействие с веществом α– излучения

α-частицы сильно взаимодействуют с различными веществами, т. е. легко поглощаются ими. Тонкий лист бумаги или слой воздуха толщиной несколько сантиметров достаточны для того, чтобы полностью поглотить α-частицы.

При прохождении через вещество a-частицы почти полностью отдают свою энергию в результате электростатического взаимодействия с электронами оболочек атомов.

Энергия α-частиц идет на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери).

Взаимодействие с веществом β- излучения

β-частицы — это электроны (или позитроны), испускаемые ядрами радонуклидов при β-распаде. Вероятность взаимодействия β-частиц с веществом меньше, чем для α-частиц, так как β-частицы имеют в два раза меньший заряд и меньшую массу.

Взаимодействие электронов и позитронов с веществом качественно одинаково и складывается из трех основных процессов: упругого рассеяния на атомных ядрах; рассеяния на орбитальных электронах; неупругих столкновений с атомным ядром.

В случае применения тяжелых материалов возникает тормозное (вторичное) излучение, которое является рентгеновским и обладает большой проникающей способностью.

Взаимодействие с веществом g- излучения

g-кванты отдают всю или, по крайней мере, большую часть своей энергии при однократном взаимодействии. Однако вероятность этого взаимодействие очень низка, поэтому g-кванты обладают гораздо большей проникающей способностью, чем заряженные частицы.

Проникающая способность излучения характеризуется чаще всего толщиной слоя поглотителя (в г/см2), при которой интенсивность излучения уменьшается наполовину.

Поглощение g-квантов вызывается тремя независимыми друг от друга процессами с различной физической природой: фотоэффектом; эффектом Комптона; образованием электрон-позитронных пар.

53. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучений с веществом. Характеристики фотоэффекта.

При прохождении г-излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка г-квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества. Регистрация и использование рентгеновского излуч. и воздействие его на биологич.

Объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с ē-ами атомов и мол.в-ва. Длина волны рассеянного рентген.излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентген. излуч. с изменением длины волны называют некогерентным, а явление- эф. Комптона.

Он возникает если энерг.фотона р.изл. больше энерг.ионизации.

hν= hν/+Аи+Ек. тк во многих случаях hν>>Аи и эф.Комптона происходит на свободных ē, то:

hν= hν/+Ек.

при фотоэффекте рентген.излуч. поглощается атомом, в рез-те чего вылетает ē, а атом ионизируется. Если энерг.фотона не достаточно для ионизации, то фотоэф.может проявляться в возбуждении атомов без вылета ē.

Фотоэффект не происходит на свободном ē. Фотоэффект –освобождение электронов, находящихся в веществе под действием коротковолнового электромагнитного излучения.

Первичный поток рентген. излуч:

Ф=Ф0е-МХ

М- линейный коэф.ослабления.

  • М=Мк+Мнк+Мф.
  • Мк-когерентное рассеяние.
  • Мнк- некогерентное

Мф.- фотоэффект.

Образование пары ē-позитрон.

Процесс образования пар происходит только в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса. Образование пар будет если энергия кванта удовлетворяет соотношению: Еᵞ>2mec2+Eя. 2mec2- энергия покоя пары эл-позитрон.

Eя- энергия отдачи ядра.

Порог рождения пар в поле ē =4mec2.

Источник: https://cyberpedia.su/15xcd0f.html

Ссылка на основную публикацию