8.4.3. Радиоактивные превращения
Опыты показали, что радиоактивные элементы испускают излучение, интенсивность которого заметно не зависит ни от времени (даже в течение нескольких лет), ни от температуры и давления, ни от химической реакции, в которой участвует вещество.
Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр и обнаружил, что 1 г радия выделяет за 1 час 582 Дж энергии. Природа такого сильного и стабильного выделения энергии оставалась неизвестной и была высказана гипотеза, что превращения претерпевают сами атомы.
Резерфорд обнаружил, что активность излучения тория в закрытой ампуле неизменна, тогда как при его обдувании она резко падает. Значит, торий выделяет радиоактивный газ. Оказалось, что активность газа каждую минуту убывает вдвое и через 10 минут она практически исчезает. Впоследствии газ получил название радон (Rn) и занял место № 86 в табл. Менделеева. Резерфорд заключил следующее:
1) атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным (самопроизвольным) видоизменениям;
2) в каждый момент времени небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается;
3) в большинстве случаев при распаде атома с огромной скоростью выбрасывается осколок – -частица, реже – быстрый электрон и -излучение;
4) в результате атомного превращения образуется новое вещество (полностью отличное от исходного), которое само не всегда устойчиво и также может испытывать радиоактивные превращения;
5) энергия, выделяющаяся при распаде атомов, значительно превосходит энергию обычных молекулярных видоизменений.
После открытия атомного ядра стало ясно, что именно оно претерпевает превращения, т.к. -частиц в оболочках атома нет. Значит, радиоактивность (р/а) – самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.
В 1913 г. Фредерик Содди (1877–1956, Англия) сформулировал правило смещения:
1) при -распаде ядро теряет положительный заряд 2е, масса его уменьшается на 4 атомных единицы массы и элемент смещается на две клетки к началу периодической системы;
2) при -распаде ядро теряет электрон (заряд ядра увеличивается на е, масса практически не меняется) и элемент смещается на одну клетку к концу периодической системы.
-излучение не сопровождается изменением заряда, а изменение массы ядра ничтожно мало.
Примеры записи превращений: а) -распад:
;
б)
-распад:
,
где
и
– символические обозначения исходного
элемента и продукта распада в периодической
системе (М-масса в а.е.м., Z-разряд
в е),
– -частица,
– электрон.
Правило смещения устанавливает баланс массы и электрического заряда ядер до и после распада.
8.4.4. Закон радиоактивного распада
Резерфорд установил:
1) р/а вещества убывает с течением времени;
2) для каждого р/а вещества существует интервал времени, в течение которого убывает в два раза.
Период полураспада (Т) – время, в течение которого распадается половина от начального числа р/а атомов.
Р/а уменьшается вдвое после истечения периода полураспада либо после уменьшения вдвое количества вещества.
График А(t) зависимости р/а (скорости распада) в % от времени:
(50%), через 2Т –
(25%), через 3Т –
,
т. е.
.
Так как
,
то
– закон радиоактивного распада.
Период полураспада урана – 4,5 млрд. лет, радия – 1600 лет.
Есть р/а элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.
Закон р/а распада является статистическим (выполняется при условии большого количества измерений для среднего числа атомов).
Р/а атомы не «стареют», т. е. атом, появившийся в результате распада в данный момент ничем не отличается от атома, аналогично появившегося год назад, причём нельзя точно сказать, какой из них (если они оба остались р/а) распадётся раньше в следующий раз.