رادیواکتیویته به توانایی انتشار خود به خود اشاره دارد. رادیواکتیویته به عنوان شواهدی از ساختار پیچیده اتم ها

رادیواکتیویته توانایی اتم های ایزوتوپ های خاص برای واپاشی خود به خود با انتشار تشعشع است. برای اولین بار، چنین تشعشعاتی که توسط اورانیوم ساطع می شود توسط بکرل کشف شد، بنابراین، در ابتدا، تشعشعات رادیواکتیو پرتوهای بکرل نامیده شدند. نوع اصلی واپاشی رادیواکتیو، بیرون ریختن ذرات آلفا از هسته یک اتم است - واپاشی آلفا (به تابش آلفا مراجعه کنید) یا ذرات بتا - واپاشی بتا (به تابش بتا مراجعه کنید).

در طی واپاشی رادیواکتیو، عنصر اصلی به اتم عنصر دیگری تبدیل می شود. در نتیجه پرتاب یک ذره آلفا از هسته یک اتم، که ترکیبی از دو پروتون و دو نوترون است، تعداد جرمی اتم حاصل (نگاه کنید به) چهار واحد کاهش می یابد و معلوم می شود که جابجا شده است. در جدول مندلیف توسط دو سلول در سمت چپ، زیرا شماره سریال عنصر در جدول برابر با تعداد پروتون های هسته اتم است. هنگامی که یک ذره بتا (الکترون) پرتاب می شود، یک نوترون به یک پروتون در هسته تبدیل می شود، در نتیجه اتم حاصل در جدول مندلیف توسط یک سلول به سمت راست جابه جا می شود. جرم آن تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. پرتاب یک ذره بتا معمولاً با (نگاه کنید به) همراه است.

واپاشی هر ایزوتوپ رادیواکتیو طبق قانون زیر رخ می‌دهد: تعداد اتم‌هایی که در واحد زمان تجزیه می‌شوند (n) متناسب با تعداد اتم‌های (N) موجود در یک زمان معین است، یعنی n=λN. ضریب λ ثابت واپاشی رادیواکتیو نامیده می شود و با نسبت λ= 0.693/T به نیمه عمر ایزوتوپ (T) مربوط می شود. قانون واپاشی نشان داده شده منجر به این واقعیت می شود که برای هر بازه زمانی برابر با نیمه عمر T، مقدار ایزوتوپ نصف می شود. اگر اتم‌های تشکیل‌شده در نتیجه تجزیه رادیواکتیو نیز رادیواکتیو باشند، تجمع تدریجی آنها تا زمانی که تعادل رادیواکتیو بین ایزوتوپ‌های والد و دختر برقرار شود، اتفاق می‌افتد. در این حالت، تعداد اتم های ایزوتوپ دختر تشکیل شده در واحد زمان برابر است با تعداد اتم هایی که در همان زمان واپاشی می شوند.

بیش از 40 ایزوتوپ رادیواکتیو طبیعی شناخته شده است. اکثر آنها در سه ردیف (خانواده) رادیواکتیو قرار دارند: اورانیوم-رادیوم و اکتینیم. همه این ایزوتوپ های رادیواکتیو به طور گسترده در طبیعت توزیع شده اند. وجود آنها در سنگ ها، آب ها، جو، گیاهان و موجودات زنده باعث ایجاد رادیواکتیویته طبیعی یا طبیعی می شود.

علاوه بر ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی، در حال حاضر حدود هزار ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی شناخته شده است. آنها توسط واکنش های هسته ای، عمدتا در راکتورهای هسته ای به دست می آیند (نگاه کنید به). بسیاری از ایزوتوپ های طبیعی و مصنوعی رادیواکتیو به طور گسترده در پزشکی برای درمان (به پرتودرمانی مراجعه کنید) و به ویژه برای تشخیص بیماری ها استفاده می شود (نگاه کنید به). تابش یونیزان را نیز ببینید.

رادیواکتیویته (از لاتین radius - beam و activus - موثر) - توانایی هسته های اتمی ناپایدار برای تبدیل خود به خود به هسته های دیگر، پایدارتر یا پایدارتر. این گونه دگرگونی‌های هسته‌ها را رادیواکتیو می‌گویند و خود هسته‌ها یا اتم‌های مربوطه را هسته‌های رادیواکتیو (اتم‌ها) می‌گویند. در خلال دگرگونی‌های رادیواکتیو، هسته‌ها انرژی را به صورت ذرات باردار یا به شکل کوانتای گاما تابش الکترومغناطیسی یا تابش گاما ساطع می‌کنند.

دگرگونی هایی که در آن هسته یک عنصر شیمیایی به هسته عنصر دیگری با عدد اتمی متفاوت تبدیل می شود، واپاشی رادیواکتیو نامیده می شود. ایزوتوپ های رادیواکتیو (نگاه کنید به)، تشکیل شده و در شرایط طبیعی وجود دارند، به طور طبیعی رادیواکتیو می گویند. همان ایزوتوپ هایی که به طور مصنوعی از طریق واکنش های هسته ای به دست می آیند به طور مصنوعی رادیواکتیو هستند. هیچ تفاوت اساسی بین ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی وجود ندارد، زیرا خواص هسته اتم ها و خود اتم ها فقط با ترکیب و ساختار هسته تعیین می شود و به روش تشکیل آنها بستگی ندارد.

رادیواکتیویته در سال 1896 توسط A.N. Becquerel کشف شد که تابش اورانیوم را کشف کرد (نگاه کنید به) که می تواند باعث سیاه شدن امولسیون عکاسی و یونیزه شدن هوا شود. کوری-اسکلودوسکا (M. Curie-Sklodowska) اولین کسی بود که شدت تابش اورانیوم را اندازه گرفت و همزمان با دانشمند آلمانی اشمیت (G. S. Schmidt) رادیواکتیویته را در توریم کشف کرد (نگاه کنید به). خاصیت ایزوتوپ ها برای انتشار خود به خود تشعشعات نامرئی توسط کوری ها رادیواکتیویته نامیده شد. در ژوئیه 1898، آنها کشف یک عنصر رادیواکتیو جدید، پلونیوم، را در سنگ معدن رزین اورانیوم گزارش کردند (نگاه کنید به). در دسامبر 1898، همراه با جی. بمونت، رادیوم را کشف کردند (نگاه کنید به).

پس از کشف عناصر رادیواکتیو، تعدادی از نویسندگان (بکرل، کوری، رادرفورد و دیگران) دریافتند که این عناصر می توانند سه نوع پرتو از خود ساطع کنند که در یک میدان مغناطیسی رفتار متفاوتی دارند. به پیشنهاد رادرفورد (E. Rutherford, 1902)، این پرتوها آلفا (نگاه کنید به تابش آلفا)، بتا (به تابش بتا) و پرتوهای گاما (به تابش گاما مراجعه کنید) نامیده شدند. پرتوهای آلفا از ذرات آلفا با بار مثبت (اتم های هلیوم دو یونیزه He4) تشکیل شده اند. پرتوهای بتا - از ذرات باردار منفی با جرم کوچک - الکترون. پرتوهای گاما از نظر ماهیت شبیه به اشعه ایکس هستند و کوانتومی از تابش الکترومغناطیسی هستند.

رادرفورد و اف. سودی در سال 1902 پدیده رادیواکتیویته را با تبدیل خود به خود اتم های یک عنصر به اتم های عنصر دیگر توضیح دادند که طبق قوانین شانس و همراه با آزاد شدن انرژی به شکل آلفا، بتا و اشعه گاما.

در سال 1910، M. Curie-Sklodowska، همراه با A. Debierne، رادیوم فلزی خالص را به دست آوردند و خواص رادیواکتیو آن را بررسی کردند، به ویژه، ثابت واپاشی رادیوم را اندازه گرفتند. تعدادی دیگر از عناصر رادیواکتیو به زودی کشف شدند. Debjorn و F. Giesel شقایق های دریایی را کشف کردند. گان (O. Halm) رادیوتوریوم و مزوتوریوم را کشف کرد، Boltwood (VV Boltwood) یونیم را کشف کرد، گان و L. Meitner پروتاکتینیم را کشف کردند. تمام ایزوتوپ های این عناصر رادیواکتیو هستند. در سال 1903، پیر کوری و C. A. Laborde نشان دادند که یک آماده‌سازی رادیوم همیشه دمای بالایی دارد و 1 گرم رادیوم با محصولات فروپاشی آن حدود 140 کیلوکالری در 1 ساعت آزاد می‌کند. در همان سال، W. Ramsay و Soddy دریافتند که یک آمپول رادیوم مهر و موم شده حاوی هلیوم گازی است. آثار رادرفورد، دورن (F. Dorn)، دبیرن و گیزل نشان داد که در میان محصولات فروپاشی اورانیوم و توریم، گازهای رادیواکتیو به سرعت در حال پوسیدگی وجود دارد که به آنها تراوشات رادیوم، توریم و اکتینیم (رادون، تورون، اکتینون) می‌گویند. بنابراین، ثابت شد که در هنگام واپاشی، اتم های رادیوم به اتم های هلیم و رادون تبدیل می شوند. قوانین تبدیل رادیواکتیو برخی از عناصر به عناصر دیگر در خلال واپاشی آلفا و بتا (قوانین جابجایی) برای اولین بار توسط سودی، فاجانز (K. Fajans) و راسل (W. J. Russell) تدوین شد.

این قوانین به شرح زیر است. در واپاشی آلفا، عنصر دیگری همیشه از عنصر اصلی به دست می آید که در سیستم تناوبی D.I. مندلیف دو سلول در سمت چپ عنصر اصلی قرار دارد (عدد سریال یا اتمی 2 کمتر از عنصر اصلی است). در واپاشی بتا، عنصر دیگری همیشه از عنصر اصلی به دست می آید که در سیستم تناوبی یک سلول در سمت راست عنصر اصلی قرار دارد (عدد اتمی یک بیشتر از عنصر اصلی است).

مطالعه دگرگونی عناصر رادیواکتیو منجر به کشف ایزوتوپ‌ها شد، یعنی اتم‌هایی که خواص شیمیایی و اعداد اتمی یکسانی دارند، اما از نظر جرم و خواص فیزیکی، به‌ویژه در خواص رادیواکتیو (نوع تشعشع) با یکدیگر تفاوت دارند. ، میزان پوسیدگی). از تعداد زیادی از مواد رادیواکتیو کشف شده، تنها رادیوم (Ra)، رادون (Rn)، پلونیوم (Po) و پروتاکتینیم (Ra) عناصر جدید بودند و بقیه ایزوتوپ‌های اورانیوم (U) و توریم بودند. (Th)، سرب (Pb)، تالیم (Tl) و بیسموت (Bi).

پس از کشف ساختار هسته‌ای اتم‌ها توسط رادرفورد و اثبات اینکه این هسته است که تمام خصوصیات اتم، به ویژه ساختار لایه‌های الکترونی و خواص شیمیایی آن را تعیین می‌کند (به اتم، هسته اتم مراجعه کنید)، تبدیل شد. واضح است که دگرگونی های رادیواکتیو با تبدیل هسته های اتمی همراه است. مطالعه بیشتر در مورد ساختار هسته های اتمی امکان رمزگشایی کامل مکانیسم تحولات رادیواکتیو را فراهم کرد.

اولین تبدیل مصنوعی هسته ها - یک واکنش هسته ای (نگاه کنید به) - توسط رادرفورد در سال 1919 با بمباران هسته اتم های نیتروژن با ذرات آلفای پولونیوم انجام شد. در همان زمان، هسته های نیتروژن پروتون ساطع کردند (نگاه کنید به) و به هسته های اکسیژن O17 تبدیل شدند. در سال 1934، F. Joliot-Curie و I. Joliot-Curie (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) اولین کسانی بودند که به طور مصنوعی یک ایزوتوپ رادیواکتیو فسفر را با بمباران اتم های Al با ذرات آلفا به دست آوردند. هسته‌های P30، برخلاف هسته‌های ایزوتوپ‌های رادیواکتیو طبیعی، در حین فروپاشی نه الکترون، بلکه پوزیترون ساطع می‌کنند (به تابش کیهانی مراجعه کنید) و به هسته‌های سیلیکونی پایدار Si30 تبدیل می‌شوند. بنابراین، در سال 1934، رادیواکتیویته مصنوعی و نوع جدیدی از واپاشی رادیواکتیو، واپاشی پوزیترون یا واپاشی β + به طور همزمان کشف شد.

Joliot-Curies پیشنهاد کرد که همه ذرات سریع (پروتون ها، دوترون ها، نوترون ها) باعث واکنش های هسته ای می شوند و می توانند برای تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی استفاده شوند. فرمی (E. Fermi) و همکاران، با بمباران عناصر مختلف با نوترون، ایزوتوپ های رادیواکتیو تقریباً همه عناصر شیمیایی را دریافت کردند. در حال حاضر، با کمک ذرات باردار شتاب‌دار (به شتاب‌دهنده‌های ذرات باردار مراجعه کنید) و نوترون‌ها، طیف گسترده‌ای از واکنش‌های هسته‌ای انجام شده است که در نتیجه دستیابی به هر ایزوتوپ رادیواکتیو امکان‌پذیر شده است.

در سال 1937، آلوارز (L. Alvarez) نوع جدیدی از تبدیل رادیواکتیو را کشف کرد - ضبط الکترونیکی. در گرفتن الکترون، هسته یک اتم یک الکترون را از پوسته اتم می گیرد و به هسته عنصر دیگری تبدیل می شود. در سال 1939، هان و اف. استراسمن شکافت هسته اورانیوم را به هسته های سبک تر (قطعات شکافت) در هنگام بمباران با نوترون ها کشف کردند. در همان سال، فلروف و پترژاک نشان دادند که فرآیند شکافت هسته های اورانیوم به طور خود به خود و بدون تأثیر خارجی انجام می شود. بنابراین، آنها نوع جدیدی از تبدیل رادیواکتیو را کشف کردند - شکافت خود به خودی هسته های سنگین.

در حال حاضر، انواع زیر از تبدیلات رادیواکتیو شناخته شده است که بدون تأثیرات خارجی، خود به خود و تنها به دلایل داخلی ناشی از ساختار هسته اتم رخ می دهد.

1. فروپاشی آلفا. هسته ای با عدد اتمی Z و عدد جرمی A یک ذره آلفا - یک هسته هلیوم He4 - ساطع می کند و به هسته دیگری با Z کمتر از 2 واحد و A کمتر از 4 واحد از هسته اصلی تبدیل می شود. به طور کلی، واپاشی آلفا به صورت زیر نوشته می شود:

در جایی که X هسته اصلی است، Y هسته محصول فروپاشی است.

2. پوسیدگی بتادو نوع وجود دارد: الکترونیکی و پوزیترون، یا β - - و β + - واپاشی (به تابش بتا مراجعه کنید). در طی واپاشی الکترونیکی، یک الکترون و یک نوترینو از هسته خارج می شوند و یک هسته جدید با همان جرم جرمی A، اما با عدد اتمی Z یک بزرگتر از هسته اصلی تشکیل می شود:

در طول واپاشی پوزیترون، هسته یک پوزیترون و یک نوترینو ساطع می کند و یک هسته جدید با عدد جرمی یکسان، اما با Z یک کمتر از هسته اصلی تشکیل می شود:

در طول واپاشی بتا، به طور متوسط، 2/3 از انرژی هسته توسط ذرات نوترینو (ذرات نوترینو با جرم بسیار کوچک، تعامل بسیار ضعیف با ماده) منتقل می شود.

3. ضبط الکترونیکی(نام سابق K-capture). هسته الکترونی را از یکی از لایه‌های اتم می‌گیرد، اغلب از پوسته K، یک نوترینو ساطع می‌کند و به هسته جدیدی با همان جرم A، اما با عدد اتمی Z کمتر از 1 تبدیل می‌شود. هسته اصلی

دگرگونی هسته ها در حین گرفتن الکترون و واپاشی پوزیترون یکسان است؛ بنابراین، این دو نوع واپاشی به طور همزمان برای یک هسته مشاهده می شوند، یعنی با هم رقابت می کنند. از آنجایی که پس از گرفتن یک الکترون از پوسته داخلی اتم، یک الکترون از یکی از مدارهای دورتر از هسته به محل خود می رود، جذب الکترون همیشه با انتشار تابش پرتو ایکس مشخصه همراه است.

4. انتقال ایزومری. پس از گسیل یک ذره آلفا یا بتا، برخی از انواع هسته ها در حالت برانگیخته (حالتی با انرژی اضافی) هستند و انرژی برانگیختگی را به شکل پرتوهای گاما ساطع می کنند (به تابش گاما مراجعه کنید). در این حالت، در هنگام واپاشی رادیواکتیو، هسته علاوه بر ذرات آلفا یا بتا، کوانتاهای گاما را نیز منتشر می کند. بنابراین، هسته های ایزوتوپ Sr90 فقط ذرات β، هسته های Na24، علاوه بر ذرات β، کوانتوم های گاما نیز منتشر می کنند. بیشتر هسته ها برای مدت زمان بسیار کوتاهی در حالت برانگیخته هستند که قابل اندازه گیری نیست (کمتر از 9-10 ثانیه). با این حال، تنها تعداد نسبتاً کمی از هسته‌ها می‌توانند برای مدت زمان نسبتاً طولانی - تا چند ماه - در حالت برانگیخته باشند. چنین هسته هایی ایزومر نامیده می شوند و انتقال متناظر آنها از حالت برانگیخته به حالت عادی، همراه با انتشار تنها پرتوهای گاما، ایزومر است. در طول انتقال ایزومری A و Z، هسته ها تغییر نمی کنند. هسته های رادیواکتیو که فقط ذرات آلفا یا بتا را ساطع می کنند، انتشار دهنده آلفا یا بتا خالص نامیده می شوند. هسته هایی که در آنها واپاشی آلفا یا بتا با انتشار پرتوهای گاما همراه است، گسیل کننده گاما نامیده می شوند. ساطع کننده های گامای خالص تنها هسته هایی هستند که برای مدت طولانی در حالت برانگیخته هستند، یعنی در حال گذار ایزومری هستند.

5. شکافت هسته ای خود به خود. در نتیجه شکافت، دو هسته سبکتر از یک هسته تشکیل می شود - قطعات شکافت. از آنجایی که هسته‌های یکسان را می‌توان به روش‌های مختلف به دو هسته تقسیم کرد، در فرآیند شکافت، جفت‌های مختلفی از هسته‌های سبک‌تر با Z و A متفاوت تشکیل می‌شوند. و گاما کوانتا . تمام قطعات تشکیل شده در طول شکافت ناپایدار هستند و تحت فروپاشی β قرار می گیرند. احتمال شکافت برای اورانیوم بسیار کم است، اما با افزایش Z افزایش می‌یابد. در هسته های پایدار، نسبت معینی بین تعداد پروتون ها و نوترون ها وجود دارد که در آن هسته بیشترین ثبات را دارد، یعنی. بالاترین انرژی اتصال ذرات در هسته. برای هسته های سبک و متوسط، بیشترین پایداری آنها مربوط به مقدار تقریباً برابری از پروتون ها و نوترون ها است. برای هسته های سنگین تر، افزایش نسبی در تعداد نوترون ها در هسته های پایدار مشاهده می شود. با وجود بیش از حد پروتون یا نوترون در هسته، هسته‌هایی با مقدار متوسط A ناپایدار هستند و تحت واپاشی β - - یا β + - قرار می‌گیرند که در طی آن تبدیل متقابل یک نوترون و یک پروتون رخ می‌دهد. با بیش از حد نوترون (ایزوتوپ های سنگین)، یکی از نوترون ها با گسیل یک الکترون و یک نوترینو به پروتون تبدیل می شود:

با بیش از حد پروتون (ایزوتوپ های نور)، یکی از پروتون ها با گسیل پوزیترون و نوترینو (β + واپاشی)، یا فقط یک نوترینو (گرفتن الکترون) به نوترون تبدیل می شود:

تمام هسته های سنگین با عدد اتمی بیشتر از Pb82 به دلیل تعداد قابل توجهی از پروتون هایی که یکدیگر را دفع می کنند ناپایدار هستند. زنجیره‌های واپاشی پی در پی آلفا و بتا در این هسته‌ها تا زمانی که هسته‌های پایدار ایزوتوپ‌های سرب تشکیل شوند، رخ می‌دهند. با بهبود تکنیک تجربی، تعداد بیشتری از هسته‌ها که قبلاً پایدار در نظر گرفته می‌شدند، یافت می‌شوند که واپاشی رادیواکتیو بسیار کندی دارند. در حال حاضر 20 ایزوتوپ رادیواکتیو با Z کمتر از 82 شناخته شده است.

در نتیجه هر تبدیل رادیواکتیو، تعداد اتم های یک ایزوتوپ معین به طور مداوم کاهش می یابد. قانون کاهش تعداد اتم های فعال در طول زمان (قانون واپاشی رادیواکتیو) در همه انواع تبدیل ها و همه ایزوتوپ ها مشترک است. ماهیت آن آماری است (فقط برای تعداد زیادی اتم رادیواکتیو قابل استفاده است) و به شرح زیر است. تعداد اتم‌های فعال یک ایزوتوپ معین که در واحد زمان تجزیه می‌شوند ΔN/Δt با تعداد اتم‌های فعال N متناسب است، یعنی همان کسر k از اتم‌های فعال یک ایزوتوپ معین، بدون توجه به تعداد آنها، در واحد زمان تجزیه می‌شود. مقدار k ثابت واپاشی رادیواکتیو نامیده می شود و نشان دهنده کسری از اتم های فعال در حال واپاشی در واحد زمان یا نرخ واپاشی نسبی است. k در واحدهای متقابل زمان اندازه گیری می شود، یعنی در ثانیه-1 (1 / ثانیه)، روز-1، سال-1 و غیره، برای هر ایزوتوپ رادیواکتیو مقدار خاص خود را دارد که در محدوده بسیار وسیعی تغییر می کند. برای ایزوتوپ های مختلف مقدار مشخص کننده نرخ واپاشی مطلق، فعالیت یک ایزوتوپ یا داروی معین نامیده می شود. فعالیت 1 گرم از یک ماده را فعالیت خاص آن ماده می گویند.

از قانون واپاشی رادیواکتیو نتیجه می‌گیرد که کاهش تعداد اتم‌های فعال N ابتدا به سرعت و سپس بیشتر و آهسته‌تر اتفاق می‌افتد. زمانی که تعداد اتم های فعال یا فعالیت یک ایزوتوپ معین نصف می شود، نیمه عمر (T) ایزوتوپ معین نامیده می شود. قانون کاهش N از زمان t نمایی است و دارای عبارت تحلیلی زیر است: N=N0e-λt، که در آن N0 تعداد اتم های فعال در لحظه شروع مرجع زمانی است (r=0)، N برابر است با تعداد اتم های فعال بعد از زمان t، e پایه لگاریتم های طبیعی است (عددی برابر با 2.718...). بین ثابت فروپاشی k و نیمه عمر λ رابطه زیر وجود دارد: λT-0.693. از اینجا

نیمه عمر بر حسب ثانیه، دقیقه اندازه گیری می شود. و غیره، و برای ایزوتوپ های مختلف در محدوده بسیار گسترده ای از کسری کوچک از ثانیه تا 10 + 21 سال متغیر است. ایزوتوپ‌های با λ بزرگ و T کوچک را کوتاه‌مدت، ایزوتوپ‌های با λ کوچک و T بزرگ را طول عمر می‌گویند. اگر ماده فعال از چندین ایزوتوپ رادیواکتیو با نیمه عمرهای مختلف تشکیل شده باشد که از نظر ژنتیکی نامرتبط هستند، با گذشت زمان فعالیت ماده نیز به طور مداوم کاهش می یابد و ترکیب ایزوتوپی دارو همیشه تغییر می کند: نسبت ایزوتوپ های کوتاه مدت. کاهش می یابد و نسبت ایزوتوپ های با عمر طولانی افزایش می یابد. پس از یک دوره زمانی به اندازه کافی طولانی، عملا تنها طولانی ترین ایزوتوپ در آماده سازی باقی می ماند. از روی منحنی‌های فروپاشی مواد رادیواکتیو متشکل از یک یا مخلوطی از ایزوتوپ‌ها، می‌توان نیمه عمر ایزوتوپ‌های منفرد و فعالیت‌های نسبی آن‌ها را برای هر لحظه در زمان تعیین کرد.

قوانین تغییر در فعالیت ایزوتوپ های مرتبط ژنتیکی از نظر کیفی متفاوت است. آنها به نسبت نیمه عمر خود بستگی دارند. برای دو ایزوتوپ مرتبط ژنتیکی با دوره T1 برای ایزوتوپ اصلی و T2 برای محصول فروپاشی، این قوانین ساده‌ترین شکل را دارند. در T1>T2، فعالیت ایزوتوپ اولیه Q1 طبق یک قانون نمایی با نیمه عمر T1 همیشه کاهش می یابد. در اثر فروپاشی هسته های ایزوتوپ اولیه، هسته های ایزوتوپ نهایی تشکیل شده و فعالیت Q2 آن افزایش می یابد. پس از مدت زمان معین، سرعت فروپاشی هسته های ایزوتوپ دوم (به سرعت تشکیل هسته های این ایزوتوپ از ایزوتوپ اولیه نزدیک می شود (میزان فروپاشی ایزوتوپ اولیه Q1) و این سرعت ها برای بقیه زمان در یک نسبت مشخص و ثابت باشد - تعادل رادیواکتیو برقرار می شود.

فعالیت ایزوتوپ اولیه با دوره T1 به طور مداوم کاهش می یابد، بنابراین پس از رسیدن به تعادل رادیواکتیو، فعالیت ایزوتوپ نهایی Q2 و فعالیت کل دو ایزوتوپ Q1 + Q2 نیز با نیمه عمر ایزوتوپ اولیه کاهش می یابد. T1. در T1>T2 Q2=Q1. اگر چندین ایزوتوپ کوتاه مدت متوالی از ایزوتوپ با عمر طولانی اولیه تشکیل شوند، همانطور که در سری پرتوزای اورانیوم و رادیوم وجود دارد، پس از رسیدن به تعادل، فعالیت هر ایزوتوپ کوتاه مدت عملاً برابر با فعالیت می شود. از ایزوتوپ اصلی در این حالت، کل فعالیت برابر است با مجموع فعالیت های تمام محصولات فروپاشی کوتاه مدت و با دوره نیمه عمر ایزوتوپ با عمر طولانی اولیه و همچنین فعالیت همه ایزوتوپ ها در حالت تعادل کاهش می یابد.

تعادل رادیواکتیو عملاً در زمانی برابر با 5-10 نیمه عمر ایزوتوپ محصولات فروپاشی که طولانی ترین نیمه عمر را دارد به دست می آید. اگر T1

ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی شامل حدود 40 ایزوتوپ از جدول تناوبی عناصر با Z بزرگتر از 82 است که سه سری متوالی تبدیل رادیواکتیو را تشکیل می دهند: سری اورانیوم (شکل 1)، سری توریم (شکل 2) و سری اکتینیم (شکل 2). شکل 3). از طریق واپاشی های متوالی آلفا و بتا، ایزوتوپ های پایدار نهایی سرب از ایزوتوپ های اولیه سری به دست می آیند.

برنج. 1. سری اورانیوم.

برنج. 2. سری توریوم.

برنج. 3. یک سری شقایق دریایی.

فلش‌های شکل‌ها نشان‌دهنده دگرگونی‌های رادیواکتیو متوالی است که نشان‌دهنده نوع واپاشی و درصد اتم‌هایی است که دچار واپاشی از این نوع می‌شوند. فلش های افقی تغییر شکل هایی را نشان می دهد که تقریباً در 100٪ موارد رخ می دهد و فلش های مایل - در بخش کوچکی از موارد. هنگام تعیین ایزوتوپ ها، نیمه عمر آنها نشان داده می شود. در داخل پرانتز نام های قبلی اعضای مجموعه وجود دارد که نشان دهنده یک رابطه ژنتیکی است، بدون پرانتز - نامگذاری های پذیرفته شده فعلی ایزوتوپ ها، مطابق با ماهیت شیمیایی و فیزیکی آنها. ایزوتوپ های با عمر طولانی در قاب ها و ایزوتوپ های پایدار نهایی در فریم های دوتایی محصور می شوند. واپاشی آلفا معمولاً با تشعشعات گاما با شدت بسیار کم همراه است، برخی از ساطع کننده های بتا تشعشعات گامای شدیدی را منتشر می کنند. پس زمینه طبیعی به دلیل پرتوهای رادیواکتیویته طبیعی و قرار گرفتن در معرض ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی موجود در سطح زمین، در بیوسفر و هوا، و تشعشعات کیهانی است (نگاه کنید به). علاوه بر این ایزوتوپ ها، مواد مختلفی نیز حاوی ایزوتوپ K40 و حدود 20 ایزوتوپ رادیواکتیو دیگر با نیمه عمر بسیار طولانی (از 109 تا 1021 سال) هستند که در نتیجه فعالیت نسبی آنها در مقایسه با فعالیت سایرین بسیار کم است. ایزوتوپ ها

ایزوتوپ های رادیواکتیو موجود در پوسته زمین نقش استثنایی در توسعه سیاره ما، به ویژه در توسعه و حفظ حیات، ایفا کرده و دارند، زیرا تلفات گرمایی روی زمین را جبران کرده و دمای زمین را تضمین می کنند. سیاره عملا برای میلیون ها سال ثابت بود. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو مانند همه ایزوتوپ‌های دیگر در طبیعت عمدتاً در حالت انتشار یافت می‌شوند و در همه مواد، موجودات گیاهی و جانوری وجود دارند.

به دلیل تفاوت در خواص فیزیکوشیمیایی ایزوتوپ ها، محتوای نسبی آنها در خاک و آب یکسان نیست. محصولات تجزیه گازی اورانیوم، توریم و اکتینیم - تورون، رادون و اکتینون - از آب خاک به طور مداوم وارد هوا می شوند. علاوه بر این محصولات گازی، هوا همچنین حاوی آلفا و بتا محصولات پوسیدگی فعال رادیوم، توریم و اکتینیم (به شکل ذرات معلق در هوا) است. از خاک، عناصر رادیواکتیو و نیز عناصر پایدار همراه با آب خاک وارد گیاهان می شوند، بنابراین ساقه و برگ گیاهان همیشه حاوی اورانیوم، رادیوم، توریم به همراه فرآورده های پوسیدگی آنها، پتاسیم و تعدادی ایزوتوپ دیگر است، هرچند در نسبتاً موجود است. غلظت های پایین گیاهان و جانوران همچنین حاوی ایزوتوپ‌های C14، H3، Be7 و غیره هستند که تحت تأثیر نوترون‌های تابش کیهانی در هوا تشکیل می‌شوند. با توجه به اینکه تبادل مداوم بین بدن انسان و محیط وجود دارد، تمام ایزوتوپ های رادیواکتیو موجود در غذا، آب و هوا در بدن وجود دارد. ایزوتوپ ها در بدن در دوزهای زیر یافت می شوند: در بافت های نرم - 31 mrem / سال، در استخوان - 44 mrem / سال. دوز تابش کیهانی 80-90 mrem / سال، دوز تابش گامای خارجی 60-80 mrem / سال است. دوز کل 140-200 mrem / سال است. دوز مصرفی بر روی ریه ها 600-800 میلی متر در سال است.

ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی با بمباران ایزوتوپ های پایدار با نوترون یا ذرات باردار در نتیجه واکنش های هسته ای مختلف به دست می آیند، انواع مختلفی از شتاب دهنده ها به عنوان منابع ذرات باردار استفاده می شوند.

برای اندازه گیری شارها و دوزهای انواع مختلف پرتوهای یونیزان، دزیمتری، دوزهای تابش یونیزان، نوترون را ببینید.

با توجه به اینکه دوزهای زیاد تشعشع بر سلامت انسان تأثیر منفی می گذارد، هنگام کار با منابع تشعشع و ایزوتوپ های رادیواکتیو اقدامات حفاظتی ویژه ای اعمال می شود (نگاه کنید به).

در پزشکی و زیست شناسی، از ایزوتوپ ها برای مطالعه متابولیسم، برای اهداف تشخیصی و درمانی استفاده می شود (نگاه کنید به). محتوای ایزوتوپ های رادیواکتیو در بدن و پویایی متابولیسم آنها با استفاده از شمارنده های تشعشع خارجی از یک فرد تعیین می شود.

این فرض که تمام اجسام از ذرات ریز تشکیل شده اند توسط فیلسوفان یونان باستان لوسیپوس و دموکریتوس در حدود 2500 سال پیش مطرح شد. این ذرات را اتم می نامیدند که به معنای «تقسیم ناپذیر» است. اتم کوچکترین، ساده ترین، غیر جزئی و در نتیجه تقسیم ناپذیر ذره است.

اما از اواسط قرن نوزدهم. حقایق تجربی شروع به ظاهر شدن کردند که در مورد ایده تقسیم ناپذیری اتم ها تردید ایجاد کرد. نتایج این آزمایش‌ها نشان داد که اتم‌ها ساختار پیچیده‌ای دارند و حاوی ذرات باردار الکتریکی هستند.

بارزترین شواهد از ساختار پیچیده اتم، کشف پدیده رادیواکتیویته بود که توسط هانری بکرل، فیزیکدان فرانسوی در سال 1896 انجام شد.

هانری بکرل (1852-1908)
فیزیکدان فرانسوی یکی از کاشفان رادیواکتیویته

بکرل کشف کرد که عنصر شیمیایی اورانیوم به طور خود به خود (یعنی بدون تأثیر خارجی) پرتوهای نامرئی ناشناخته قبلی را ساطع می کند که بعدها تابش رادیواکتیو نامیده شد.

از آنجایی که تشعشعات رادیواکتیو دارای خواص غیرعادی بود، بسیاری از دانشمندان شروع به مطالعه آن کردند. معلوم شد که نه تنها اورانیوم، بلکه برخی از عناصر شیمیایی دیگر (به عنوان مثال، رادیوم) نیز به طور خود به خود پرتوهای رادیواکتیو ساطع می کنند. توانایی اتم های برخی عناصر شیمیایی در برابر تشعشعات خود به خود رادیواکتیویته نامیده می شود (از رادیو لاتین - I radiate و activus - موثر).

ارنست رادرفورد (1871-1935)
فیزیکدان انگلیسی او ترکیب پیچیده تشعشعات رادیواکتیو رادیوم را کشف کرد و یک مدل هسته ای از ساختار اتم را پیشنهاد کرد. پروتون را کشف کرد

در سال 1899، در نتیجه آزمایشی که تحت هدایت فیزیکدان انگلیسی ارنست رادرفورد انجام شد، مشخص شد که تابش رادیواکتیو رادیوم ناهمگن است، یعنی ترکیب پیچیده ای دارد. بیایید ببینیم این آزمایش چگونه انجام شد.

شکل 156a یک ظرف سربی با دیواره ضخیم با دانه ای از رادیوم در پایین را نشان می دهد. پرتوی از تشعشعات رادیواکتیو از رادیوم از یک سوراخ باریک خارج می شود و به صفحه عکاسی برخورد می کند (تابش رادیوم در همه جهات رخ می دهد، اما نمی تواند از لایه ضخیم سرب عبور کند). پس از توسعه صفحه عکاسی، یک نقطه تاریک روی آن یافت شد - درست در محلی که پرتو به آن برخورد کرد.

برنج. 156. طرح آزمایش رادرفورد برای تعیین ترکیب تشعشعات رادیواکتیو

سپس آزمایش تغییر کرد (شکل 156، ب): یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد شد که بر روی پرتو عمل کرد. در این مورد، سه لکه در صفحه توسعه یافته ظاهر شد: یکی، مرکزی، در همان مکان قبلی قرار داشت و دو نقطه دیگر در طرف مقابل صفحه مرکزی قرار داشتند. اگر دو جریان در یک میدان مغناطیسی از جهت قبلی منحرف شوند، آنگاه آنها جریان هایی از ذرات باردار هستند. انحراف در جهات مختلف نشانه های متفاوتی از بار الکتریکی ذرات را نشان می دهد. در یک جریان، تنها ذرات با بار مثبت وجود داشتند، در جریان دیگر، ذرات با بار منفی. و جریان مرکزی تابشی بود که بار الکتریکی نداشت.

ذرات باردار مثبت را ذرات آلفا، ذرات با بار منفی را ذرات بتا و ذرات خنثی را ذرات گاما یا گاما کوانتا می نامند.

جوزف جان تامسون (1856-1940)
فیزیکدان انگلیسی الکترون باز شده او یکی از اولین مدل های ساختار اتم را پیشنهاد کرد

مدتی بعد، در نتیجه مطالعه خصوصیات فیزیکی و خصوصیات مختلف این ذرات (بار الکتریکی، جرم و غیره) می توان مشخص کرد که ذره β یک الکترون و ذره α کاملاً یونیزه شده است. اتم عنصر شیمیایی هلیوم (یعنی یک اتم هلیوم که هر دو الکترون خود را از دست داده است). همچنین مشخص شد که تابش γ یکی از انواع، یا بهتر بگوییم محدوده، تابش الکترومغناطیسی است (شکل 136 را ببینید).

پدیده رادیواکتیویته، یعنی انتشار خود به خودی ذرات α-، β- و α توسط ماده، همراه با سایر واقعیت های تجربی، مبنایی برای این فرض بود که اتم های ماده دارای ترکیب پیچیده ای هستند. از آنجایی که مشخص بود اتم به عنوان یک کل خنثی است، این پدیده منجر به این فرض شد که ترکیب اتم شامل ذرات باردار منفی و مثبت است.

بر اساس این و برخی حقایق دیگر، فیزیکدان انگلیسی جوزف جان تامسون در سال 1903 یکی از اولین مدل‌های ساختار اتم را پیشنهاد کرد. از نظر تامسون، اتم کره ای است که در سراسر حجم آن یک بار مثبت به طور مساوی توزیع شده است. درون این کره الکترون ها قرار دارند. هر الکترون می تواند حول موقعیت تعادل خود در نوسان باشد. بار مثبت توپ از نظر مقدار مطلق برابر با بار منفی کل الکترون ها است، بنابراین بار الکتریکی اتم به عنوان یک کل برابر با صفر است.

مدل ساختار اتم ارائه شده توسط تامسون نیاز به تایید تجربی داشت. به ویژه، بررسی اینکه آیا بار مثبت واقعاً در کل حجم اتم با چگالی ثابت توزیع شده است یا خیر، مهم بود. بنابراین در سال 1911 رادرفورد به همراه همکارانش مجموعه ای از آزمایشات را برای مطالعه ترکیب و ساختار اتم ها انجام داد.

برای درک چگونگی انجام این آزمایش‌ها، شکل 157 را در نظر بگیرید. در آزمایش‌ها، یک ظرف سربی C با ماده رادیواکتیو P که ذرات α ساطع می‌کند استفاده شد. از این کشتی، ذرات α از طریق یک کانال باریک با سرعتی در حدود 15000 کیلومتر بر ثانیه پرواز می کنند.

برنج. 157. طرح نصب آزمایش رادرفورد در مورد مطالعه ساختار اتم.

از آنجایی که ذرات α به طور مستقیم دیده نمی شوند، برای شناسایی آنها از صفحه شیشه ای E استفاده می شود. صفحه نمایش با یک لایه نازک از یک ماده خاص پوشانده شده است، به همین دلیل در نقاطی که ذرات α به صفحه برخورد می کنند، فلاش می افتد. با استفاده از میکروسکوپ M مشاهده می شود. این روش ثبت ذرات را روش، سوسوزن (یعنی فلاش) می نامند.

کل این مجموعه در ظرفی قرار می گیرد که هوا از آن تخلیه شده است (به منظور از بین بردن پراکندگی ذرات α به دلیل برخورد آنها با مولکول های هوا).

اگر هیچ مانعی بر سر راه ذرات α وجود نداشته باشد، آنها در یک پرتو باریک و کمی در حال گسترش روی صفحه می‌افتند (شکل 157، a). در این حالت، تمام فلاش هایی که روی صفحه نمایش ظاهر می شوند در یک نقطه نوری کوچک ادغام می شوند.

اگر در مسیر ذرات α، یک ورقه نازک F از فلز مورد مطالعه قرار داده شود (شکل 157، ب)، سپس در هنگام تعامل با ماده، ذرات α در تمام جهات در زوایای مختلف φ پراکنده می شوند (فقط سه زوایای در شکل نشان داده شده است: φ1، φ2 و φ3).

هنگامی که صفحه در موقعیت 1 قرار دارد، بیشترین فلاش در مرکز صفحه قرار دارد. این بدان معنی است که بخش اصلی تمام ذرات α تقریباً بدون تغییر جهت اصلی (در زوایای کوچک پراکنده شده) از فویل عبور می کند. با دور شدن از مرکز صفحه، تعداد فلاش ها کمتر می شود. در نتیجه، با افزایش زاویه پراکندگی φ، تعداد ذرات پراکنده شده در این زاویه ها به شدت کاهش می یابد.

با حرکت دادن صفحه نمایش همراه با میکروسکوپ در اطراف فویل، می توان دریافت که تعداد معینی (بسیار کم) از ذرات در زوایای نزدیک به 90 درجه پراکنده شده اند (این موقعیت صفحه با عدد 2 نشان داده شده است) و مقداری منفرد. ذرات در زوایای 180 درجه پراکنده می شوند، یعنی در نتیجه برهمکنش با فویل به عقب پرتاب می شوند (موقعیت 3).

این موارد پراکندگی با زاویه بزرگ ذرات α بود که به رادرفورد مهم ترین اطلاعات را برای درک چگونگی آرایش اتم های ماده داد. پس از تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش ها، رادرفورد به این نتیجه رسید که چنین انحراف قوی ذرات α تنها در صورتی امکان پذیر است که یک میدان الکتریکی بسیار قوی در داخل اتم وجود داشته باشد. چنین میدانی می تواند توسط باری که در حجم بسیار کمی متمرکز شده است (در مقایسه با حجم یک اتم) ایجاد شود.

یکی از نمونه‌های نمایش شماتیک مدل هسته‌ای اتم که توسط ای. رادرفورد ارائه شده است.

برنج. 158. مسیر پرواز ذرات α هنگام عبور از اتم های ماده

از آنجایی که جرم یک الکترون تقریباً 8000 بار کمتر از جرم یک ذره α است، الکترون های تشکیل دهنده اتم نمی توانند جهت حرکت ذرات α را به طور قابل توجهی تغییر دهند. بنابراین، در این مورد، ما فقط می توانیم در مورد نیروهای دافعه الکتریکی بین ذرات α و قسمت دارای بار مثبت اتم صحبت کنیم که جرم آن بسیار بیشتر از جرم ذره α است.

این ملاحظات باعث شد که رادرفورد یک مدل هسته ای (سیاره ای) از اتم ایجاد کند (که قبلاً از درس فیزیک کلاس هشتم در مورد آن می دانید). به یاد بیاورید که طبق این مدل، یک هسته با بار مثبت در مرکز اتم قرار دارد که حجم بسیار کمی از اتم را اشغال می کند. الکترون ها در اطراف هسته حرکت می کنند که جرم آنها بسیار کمتر از جرم هسته است. یک اتم از نظر الکتریکی خنثی است زیرا بار هسته با مدول بار کل الکترون ها برابر است.

رادرفورد توانست اندازه هسته اتم را تخمین بزند. مشخص شد که بسته به جرم یک اتم، قطر هسته آن حدود 10-14 - 10-15 متر است، یعنی ده ها و حتی صدها هزار بار کوچکتر از یک اتم است (یک اتم قطر دارد. حدود 10-10 متر).

شکل 158 عبور ذرات α از اتم های ماده را از دیدگاه مدل هسته ای نشان می دهد. این شکل نشان می دهد که چگونه مسیر پرواز ذرات α بسته به فاصله آنها از هسته تغییر می کند. قدرت میدان الکتریکی ایجاد شده توسط هسته و در نتیجه نیروی عمل روی ذره α، با افزایش فاصله از هسته به سرعت کاهش می یابد. بنابراین، جهت پرواز ذره تنها در صورتی تغییر زیادی می کند که از نزدیکی هسته عبور کند.

از آنجایی که قطر هسته بسیار کوچکتر از قطر اتم است، بیشتر ذرات α در چنین فواصل از هسته از اتم عبور می کنند، جایی که نیروی دافعه میدان ایجاد شده توسط آن برای تغییر قابل توجهی بسیار کم است. جهت ذرات α و فقط تعداد بسیار کمی از ذرات در نزدیکی هسته پرواز می کنند، یعنی در ناحیه یک میدان قوی، و در زوایای بزرگ منحرف می شوند. این نتایج در آزمایش رادرفورد به دست آمد.

بنابراین، در نتیجه آزمایشات بر روی پراکندگی ذرات α، ناسازگاری مدل تامسون اتم ثابت شد، مدل هسته ای ساختار اتم ارائه شد و قطر هسته های اتم برآورد شد.

سوالات

کشفی که بکرل در سال 1896 انجام داد چه بود؟
به ما بگویید آزمایش چگونه انجام شد که طرح آن در شکل 156 نشان داده شده است. در نتیجه این آزمایش چه چیزی آشکار شد؟
پدیده رادیواکتیویته گواه چه چیزی بود؟
اتم بر اساس مدل ارائه شده توسط تامسون چه بود؟
با استفاده از شکل 157، نحوه انجام آزمایش بر روی پراکندگی ذرات α را شرح دهید.
رادرفورد بر اساس این واقعیت که برخی از ذرات α هنگام برهمکنش با فویل، در زوایای بزرگ پراکنده می شوند، چه نتیجه ای گرفت؟
اتم بر اساس مدل هسته ای رادرفورد چیست؟

درس 51 رادیواکتیویته به عنوان شواهدی از ساختار پیچیده اتم ها

هدف از درس: به دانش آموزان ایده ای از رادیواکتیویته بدهد

در طول کلاس ها

تجزیه و تحلیل کار کنترل
یادگیری مطالب جدید

این فرضیه که همه اجسام از ذرات ریز تشکیل شده اند توسط فیلسوفان یونان باستان لوسیپوس و دموکریتوس بیش از دو هزار سال پیش مطرح شد. به این ذرات «اتم» می گفتند که به معنی تقسیم ناپذیر است. اما از اواسط قرن نهم، ایده تقسیم ناپذیری اتم زیر سوال رفت. کار تجربی نشان داده است که ساختار آنها شامل ذرات باردار الکتریکی است.

بکرل آنتوان هانری فیزیکدان فرانسوی (به دلیل کشف رادیواکتیویته اورانیوم به او جایزه نوبل در سال 1903 اهدا شد، دارنده کلیه ممتازهای آکادمی علوم پاریس، عضو انجمن سلطنتی).

کشف رادیواکتیویته طبیعی، پدیده ای که ترکیب پیچیده هسته اتم را ثابت می کند، بر اثر یک حادثه مبارک اتفاق افتاد.

در سال 1896، آنتوان بکرل، فیزیکدان فرانسوی، کشف کرد که نمک اورانیوم در کنار یک صفحه عکاسی بسته بندی شده باعث سیاه شدن آن می شود. مطالعه این تشعشعات اورانیوم نافذ به همراه پیر و ماری کوری به کشف رادیواکتیویته منجر شد. بدین ترتیب دوران اتمی در تاریخ بشر آغاز شد.

بکرل کشف کرد که عنصر شیمیایی اورانیوم به طور خود به خود، یعنی بدون هیچ گونه تأثیر خارجی، پرتوهای نامرئی از خود ساطع می کند. تحقیقات فشرده آغاز شد. مشخص شد که تابش نمک های اورانیوم هوا را یونیزه می کند و الکتروسکوپ را کمیاب می کند. این پرتوها بعدها تشعشعات رادیواکتیو نامیده شدند.

این توانایی اتم های برخی از عناصر شیمیایی در برابر تشعشعات خود به خود رادیواکتیویته نامیده شد.

رادیواکتیویتی (از رادیو لاتین - من پرتوها و اکتیووس را ساطع می‌کنم - مؤثر)، تبدیل خود به خود هسته‌های اتمی ناپایدار به هسته‌های عناصر دیگر، همراه با انتشار ذرات یا یک کوانتوم g. 4 نوع رادیواکتیویته شناخته شده است: واپاشی آلفا، فروپاشی بتا، شکافت خود به خودی هسته اتم، رادیواکتیویته پروتون (رادیواکتیویته دو پروتون و دو نوترون پیش بینی شده است، اما هنوز مشاهده نشده است). رادیواکتیویته با کاهش نمایی در تعداد متوسط هسته ها در طول زمان مشخص می شود.

در سال 1899، ارنست رادرفورد به طور تجربی کشف کرد که تابش رادیواکتیو رادیوم ناهمگن است و ترکیب پیچیده ای دارد. او در یک ظرف سربی با دیواره ضخیم، یک دانه رادیوم گذاشت. پرتوی از تشعشعات رادیواکتیو از رادیوم از یک سوراخ باریک عبور کرد و به صفحه عکاسی برخورد کرد. پس از توسعه صفحه عکاسی، یک نقطه روی آن پیدا شد. سپس آزمایش اصلاح شد، اکنون پرتو تابش از ناحیه میدان مغناطیسی قبل از برخورد با صفحه عکاسی عبور کرد.

در نتیجه، میدان مغناطیسی این پرتو را به سه تقسیم کرد و پس از توسعه، سه نقطه در صفحه عکاسی پیدا شد - یکی در مرکز، دو - در کنار آن. این نشان می دهد که پرتو تابش شامل ذرات α آلفا با بار مثبت، ذرات β بتا با بار منفی و ذرات گامای خنثی γ است.

این سه نوع تابش از نظر قدرت نفوذ بسیار با یکدیگر متفاوت هستند. پرتوهای آلفا کمترین قدرت نفوذ را دارند. یک لایه کاغذ به ضخامت 0.1 میلی متر در حال حاضر برای آنها مات است. برای پرتوهای β بتا، یک صفحه آلومینیومی با ضخامت چند میلی متر مات است، پرتوهای گاما γ نافذترین هستند، یک لایه سربی با ضخامت 1 سانتی متر مانعی غیرقابل عبور برای آنها نیست.

از نظر خواص، پرتوهای گاما γ شبیه اشعه ایکس هستند. این امواج الکترومغناطیسی با طول 10 -8 تا 10 -11 سانتی متر هستند.

آزمایش با پرتوهای بتا آسان‌تر بود، زیرا آنها به شدت در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی منحرف شدند. در این مطالعه مشخص شد که آنها الکترون هایی هستند که با سرعت بسیار نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند.

معلوم شد که آشکار کردن ماهیت ذرات α آلفا دشوارتر است. رادرفورد بالاخره این معما را حل کرد. معلوم شد که ذرات آلفا هسته های اتم هلیوم هستند، یعنی. این یک اتم کاملا یونیزه شده از عنصر شیمیایی هلیم است.

هنگام قرار گرفتن در معرض تشعشع چه اتفاقی برای ماده می افتد؟ اول، ثبات شگفت انگیزی که عناصر رادیواکتیو با آن تشعشع می کنند. در طول روز، ماه ها، سال ها، شدت تابش به طور قابل توجهی تغییر نمی کند. تحت تأثیر گرما یا افزایش فشار قرار نمی گیرد، واکنش های شیمیایی که در آن عنصر رادیواکتیو وارد شده است نیز بر شدت تابش تأثیر نمی گذارد.

ثانیا، رادیواکتیویته با آزاد شدن انرژی همراه است و به طور مداوم در طی چند سال آزاد می شود. این انرژی از کجا می آید؟ هنگامی که رادیواکتیو است، این ماده دستخوش تغییراتی می شود. پیشنهاد شد که خود اتم ها دچار دگرگونی می شوند.

بعداً مشخص شد که در نتیجه تبدیل اتمی، ماده جدیدی از نوع کاملاً جدید تشکیل می شود که از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی کاملاً متفاوت از ماده اصلی است. این ماده جدید خود نیز ناپایدار است و با انتشار تشعشعات رادیواکتیو مشخصه دچار دگرگونی می شود.

بنابراین، پدیده رادیواکتیویته نشان می دهد که اتم های مواد دارای ترکیب پیچیده ای هستند.

III. تلفیق مطالب مورد مطالعه

کشفی که بکرل در سال 1896 انجام داد چه بود؟
توانایی اتم های برخی از عناصر شیمیایی در تابش خود به خودی چگونه نامیده شد؟
نام ذرات تشکیل دهنده تشعشعات رادیواکتیو چیست؟
پدیده رادیواکتیویته چه چیزی را نشان می دهد؟

IV. مشق شب

1. § 55، به سؤالات پاسخ دهید.

ELECTRON (e, e -)، ذره بنیادی با بار منفی پایدار با اسپین 1/2، جرم تقریبی. 9·10 -28 گرم و گشتاور مغناطیسی برابر با مگنتون بور. به لپتون ها اشاره دارد و در برهمکنش های الکترومغناطیسی، ضعیف و گرانشی شرکت می کند. الکترون یکی از عناصر ساختاری اصلی ماده است. لایه های الکترونی اتم ها خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی اتم ها و مولکول ها و همچنین بیشتر خواص جامدات را تعیین می کنند.

ALPHA DECAY (a-decay)، نوعی فروپاشی رادیواکتیو هسته های اتمی، هنگامی که یک ذره آلفا ساطع می شود، بار هسته 2 واحد کاهش می یابد، تعداد جرمی - 4. St. 3000 هسته a فعال که بیشتر آنها به صورت مصنوعی به دست می آیند.

ذره آلفا (a-particle)، هسته اتم هلیوم حاوی 2 پروتون و 2 نوترون.

سوالات.

1. کشفی که بکرل در سال 1896 انجام داد چه بود؟

بکرل در سال 1896 کشف کرد که عنصر شیمیایی اورانیوم U به طور خود به خود پرتوهای نامرئی ساطع می کند.

2. چگونه آنها شروع به نامیدن توانایی اتم های برخی از عناصر شیمیایی به تشعشع خود به خودی کردند؟

این توانایی رادیواکتیویته نامیده شد.

3. به ما بگویید که آزمایش چگونه انجام شد که طرح آن در شکل های 167، a، b نشان داده شده است. چه چیزی از این تجربه به دست آمد؟

در آزمایش در شکل. 167 یک دانه رادیوم Ra در ظرفی با دیواره ضخیم قرار داده شد. از آن، از طریق شکاف، پرتوی از تشعشعات رادیواکتیو خارج می شود که صفحه عکاسی را روشن می کند. سپس پرتو تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار گرفت که در نتیجه پرتو به سه جریان تقسیم می شود: بار مثبت، بار منفی و خنثی که با تشکیل سه نقطه روی صفحه عکاسی ثبت شد.

4. نام ذرات تشکیل دهنده انتشار رادیواکتیو چه بود؟ این ذرات چیست؟

مشخص شد که تشعشعات رادیواکتیو از سه نوع ذره تشکیل شده است: ذرات α - اتمهای هلیوم یونیزه شده He، ذرات β - الکترونها و ذرات γ - فوتون.

موضوع درس «کشف رادیواکتیویته.

تابش آلفا، بتا و گاما.

اهداف درس

آموزشی - گسترش ایده های دانش آموزان در مورد تصویر فیزیکی جهان به عنوان مثال از پدیده رادیواکتیویته. الگوهای مطالعه

آموزشی - ادامه شکل گیری مهارت ها: روش نظری مطالعه فرآیندهای فیزیکی؛ مقایسه کردن، تعمیم دادن برقراری ارتباط بین حقایق مورد مطالعه؛ فرضیه ها را مطرح کرده و آنها را توجیه کنید.

مربیان – در مثالی از زندگی و کار ماری و پیر کوری برای نشان دادن نقش دانشمندان در توسعه علم؛ غیرتصادفی بودن اکتشافات تصادفی را نشان دهید. (فکر: مسئولیت یک دانشمند، یک کاشف در قبال ثمره اکتشافات خود)ادامه شکل گیری علایق شناختی، مهارت های جمعی، همراه با کار مستقل.

دوره و محتوای درس

.زمان سازماندهی

پیام در مورد موضوع و هدف درس

2. مرحله آمادگی برای مطالعه موضوع جدید

به فعلیت رساندن دانش موجود دانش آموزان در قالب بررسی تکالیف و نظرسنجی مقطعی از دانش آموزان.

3. مرحله جذب دانش جدید (25 دقیقه)

رادیواکتیویته از زمان شکل گیری روی زمین ظاهر شد و انسان در تمام تاریخ توسعه تمدن خود تحت تأثیر منابع طبیعی تشعشع بود. زمین در معرض پس زمینه تابش است که منابع آن تابش خورشیدی، تابش کیهانی، تابش عناصر رادیواکتیو در زمین است.

تشعشع چیست؟ چگونه بوجود می آید؟ چه نوع تشعشعی وجود دارد؟ و چگونه از خود در برابر آن محافظت کنید؟

کلمه "تابش" از لاتین آمده است شعاعو مخفف پرتو است. در اصل، تابش همه انواع تشعشعات موجود در طبیعت است - امواج رادیویی، نور مرئی، فرابنفش و غیره. اما تشعشعات متفاوت است، برخی از آنها مفید هستند، برخی مضر هستند. در زندگی معمولی، ما به کلمه تشعشع عادت داریم که تشعشعات مضر ناشی از رادیواکتیویته انواع خاصی از مواد را بنامیم. بیایید بررسی کنیم که چگونه پدیده رادیواکتیویته در درس فیزیک توضیح داده می شود

کشف رادیواکتیویته به دلیل یک حادثه مبارک بود. بکرل درخشندگی موادی را که قبلاً با نور خورشید تابش کرده بودند برای مدت طولانی مطالعه کرد. او صفحه عکاسی را در کاغذ سیاه ضخیم پیچید، دانه‌های نمک اورانیوم را روی آن قرار داد و آن را در معرض نور شدید خورشید قرار داد. پس از توسعه، صفحه عکاسی در مناطقی که نمک قرار داشت سیاه شد. بکرل معتقد بود که تابش اورانیوم تحت تأثیر نور خورشید ایجاد می شود. اما یک روز در فوریه 1896 به دلیل هوای ابری نتوانست آزمایش دیگری انجام دهد. بکرل رکورد را دوباره در کشو گذاشت و روی آن یک صلیب مسی پوشیده از نمک اورانیوم قرار داد. پس از توسعه صفحه، فقط در مورد، دو روز بعد، او سیاه شدن روی آن را به شکل یک سایه مشخص از یک صلیب پیدا کرد. این بدان معنی است که نمک های اورانیوم به طور خود به خود، بدون هیچ گونه تأثیر خارجی، نوعی تشعشع ایجاد می کنند. تحقیقات فشرده آغاز شد. به زودی، بکرل یک واقعیت مهم را ثابت کرد: شدت تابش فقط با مقدار اورانیوم موجود در آماده سازی تعیین می شود و به ترکیبات آن بستگی ندارد. بنابراین، تشعشع نه در ترکیبات، بلکه در عنصر شیمیایی اورانیوم ذاتی است. سپس کیفیت مشابهی در توریم کشف شد.

بکرل آنتوان هانری فیزیکدان فرانسوی. او از مدرسه پلی تکنیک پاریس فارغ التحصیل شد. آثار اصلی به رادیواکتیویته و اپتیک اختصاص دارد. در سال 1896 او پدیده رادیواکتیویته را کشف کرد. در سال 1901، او اثر فیزیولوژیکی تشعشعات رادیواکتیو را کشف کرد. بکرل در سال 1903 به دلیل کشف رادیواکتیویته طبیعی اورانیوم جایزه نوبل را دریافت کرد. (1903، همراه با P. Curie و M. Sklodowska-Curie).

کشف رادیوم و پولونیوم

در سال 1898، ماری اسکلودوسکا-کوری و پیر کوری، دانشمندان فرانسوی دیگر، دو ماده جدید را از کانی اورانیوم جدا کردند که بسیار پرتوزاتر از اورانیوم و توریم بود. بنابراین دو عنصر رادیواکتیو ناشناخته قبلی کشف شد - پلونیوم و رادیوم. کار طاقت فرسا بود، برای چهار سال طولانی این زوج تقریباً انبار مرطوب و سرد خود را ترک نکردند. پولونیوم (Po-84) به نام سرزمین مادری مری، لهستان نامگذاری شد. رادیوم (Ra -88) - تابشی، اصطلاح رادیواکتیویته توسط ماریا اسکلودوسکا پیشنهاد شد. همه عناصر با شماره سریال بزرگتر از 83 رادیواکتیو هستند، یعنی. در جدول تناوبی بعد از بیسموت قرار دارد. برای 10 سال کار مشترک، آنها کارهای زیادی برای مطالعه پدیده رادیواکتیویته انجام داده اند. این یک کار فداکارانه به نام علم بود - در یک آزمایشگاه ضعیف و در غیاب بودجه لازم، محققان در سال 1902 رادیوم را به مقدار 0.1 گرم دریافت کردند. برای این کار 45 ماه کار سخت در آنجا و بیش از 10000 عملیات آزادسازی و تبلور شیمیایی انجام دادند.

جایزه نوبل در فیزیک.

رادیواکتیویته توانایی برخی از هسته های اتمی برای تبدیل خود به خود به هسته های دیگر است، در حالی که ذرات مختلف را ساطع می کنند: هر واپاشی رادیواکتیو خود به خود گرمازا است، یعنی با آزاد شدن گرما رخ می دهد.

جسد ماری اسکلودوسکا کوری که در تابوت سربی محصور شده است، هنوز رادیواکتیویته با شدت 360 بکرل/M3 با سرعت حدود 13 bq/M3 منتشر می کند... او با همسرش دفن شد...

ترکیب پیچیده تشعشعات رادیواکتیو

در سال 1899، تحت هدایت دانشمند انگلیسی E. Rutherford، آزمایشی انجام شد که تشخیص ترکیب پیچیده تشعشعات رادیواکتیو را ممکن ساخت.

در نتیجه آزمایشی که با راهنمایی یک فیزیکدان انگلیسی انجام شد , مشخص شد که تابش رادیواکتیو رادیوم ناهمگن است، یعنی. ساختار پیچیده ای دارد.

رادرفورد ارنست (1871-1937)، فیزیکدان انگلیسی، یکی از پدیدآورندگان نظریه رادیواکتیویته و ساختار اتم، مؤسس یک مکتب علمی، عضو خارجی آکادمی علوم روسیه (1922) و عضو افتخاری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی (1925). مدیر آزمایشگاه کاوندیش (از سال 1919). پرتوهای آلفا و بتا (1899) را باز کرد و ماهیت آنها را تثبیت کرد. (1903، همراه با F. Soddy) نظریه رادیواکتیویته را ایجاد کرد. او (1911) یک مدل سیاره ای از اتم را پیشنهاد کرد. (1919) اولین واکنش هسته ای مصنوعی را انجام داد. (1921) وجود نوترون را پیش بینی کرد. جایزه نوبل (1908).

یک آزمایش کلاسیک که تشخیص ترکیب پیچیده تشعشعات رادیواکتیو را ممکن کرد.

آماده سازی رادیوم در یک ظرف سربی با سوراخ قرار داده شد. یک صفحه عکاسی در مقابل سوراخ قرار داده شد. یک میدان مغناطیسی قوی بر روی تابش اثر می گذارد.

تقریبا 90 درصد از هسته های شناخته شده ناپایدار هستند. هسته های رادیواکتیو می توانند ذرات سه نوع را ساطع کنند: با بار مثبت (ذرات α - هسته هلیوم)، بار منفی (ذرات β - الکترون) و خنثی (ذرات γ - کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی موج کوتاه). میدان مغناطیسی اجازه می دهد تا این ذرات از هم جدا شوند.

4) نفوذ α .β. تابش γ

پرتوهای α کمترین قدرت نفوذ را دارند. یک لایه کاغذ به ضخامت 0.1 میلی متر در حال حاضر برای آنها مات است.

. پرتوهای β به طور کامل توسط یک صفحه آلومینیومی با ضخامت چند میلی متر مسدود می شوند.

پرتوهای γ هنگام عبور از لایه 1 سانتی متری سرب، شدت آن را 2 برابر کاهش می دهند.

5) ماهیت فیزیکی α .β. تابش γ

امواج الکترومغناطیسی تابش γ 10 -10 -10 -13 متر

تابش گاما فوتون است، یعنی. موج الکترومغناطیسی که حامل انرژی است. در هوا، می تواند مسافت های طولانی را طی کند و به تدریج انرژی خود را در نتیجه برخورد با اتم های محیط از دست می دهد. اشعه گامای شدید، اگر از آن محافظت نشود، می تواند نه تنها به پوست، بلکه به بافت های داخلی آسیب برساند. مواد متراکم و سنگین مانند آهن و سرب موانع بسیار خوبی در برابر تشعشعات گاما هستند.

پرتوهای β - جریانی از الکترون ها که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند.

اشعه α - هسته اتم هلیوم

مرحله تثبیت دانش جدید.

1. کشفی که بکرل در سال 1896 انجام داد چه بود؟

2. چگونه آنها شروع به نامیدن توانایی اتم های برخی از عناصر شیمیایی به تشعشع خود به خودی کردند؟

3. به ما بگویید آزمایش چگونه انجام شد که طرح آن در شکل نشان داده شده است. چه چیزی از این تجربه به دست آمد؟

4. نام ذرات تشکیل دهنده انتشار رادیواکتیو چه بود؟

5. این ذرات چیست؟

6. پدیده رادیواکتیویته گواه چه چیزی بود؟

5. مرحله تشریح، اطلاعات در مورد تکالیف.

مشق شب §§ 99,100