§ 31. Радіоактивність. Види радіоактивних випромінювань

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

1. Запишіть у зошиті слово «Радіоактивність», а поряд — низку слів, які з ним пов’язані.

Поряд зі словом «радіоактивність» можна записати такі асоціації та поняття: випромінювання, атомне ядро, уран, радій, альфа-частинки, бета-промені, гамма-кванти, захист, свинець, йонізація, дозиметр, період піврозпаду, атомна енергетика, безпека.

2. Згадайте, які спільні риси мають рентгенівське та $\gamma$-випромінювання.

Обидва види випромінювань належать до електромагнітних хвиль надзвичайно високої частоти й короткої довжини хвилі, тому вони поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю світла $c \approx 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$. Завдяки великій енергії квантів і нейтральності (відсутності електричного заряду) вони мають величезну проникну здатність, викликають люмінесценцію речовин, засвічують фотоматеріали та чинять сильну йонізуючу дію на живі клітини.

3. Зробіть припущення, чому відкриття рентгенівських променів стало поштовхом для відкриття явища радіоактивності.

Відкриття невидимих променів Вільгельмом Рентгеном змусило багатьох природодослідників перевіряти, чи не випромінюють подібне проникаюче світло речовини, які світяться під дією сонячних променів (явище люмінесценції). Анрі Беккерель припустив, що солі урану після опромінення сонцем можуть випускати рентгенівські хвилі, але під час дослідів з’ясував, що уран випромінює власні невидимі промені постійно і самочинно, навіть у повній темряві.

4. Чому, на вашу думку, Альберт Ейнштейн порівнював відкриття радіоактивності з відкриттям вогню та вважав, що вогонь і радіоактивність — однаково значущі віхи в історії людства?

Приборкання вогню в давнину відкрило людям перше потужне хімічне джерело тепла й світла, що докорінно змінило розвиток цивілізації. Відкриття радіоактивності показало, що всередині крихітних ядер атомів приховано у мільйони разів потужнішу ядерну енергію, яка дала людству колосальні можливості для отримання електрики, розвитку медицини та науки, але водночас поставила перед необхідністю відповідального контролю цієї сили.

5. Розгляньте рис. 31.3, згадайте, на які об’єкти діє магнітне поле, та поясніть, чому в магнітному полі $\alpha$-частинки відхиляються в один бік, $\beta$-частинки — в інший, а $\gamma$-промені зовсім не відхиляються. Скористайтеся правилом лівої руки та переконайтеся, що $\alpha$-частинки мають позитивний заряд.

Магнітне поле діє силою Лоренца виключно на рухомі заряджені частинки, причому напрямок сили залежить від знака їхнього електричного заряду. Оскільки $\alpha$-частинки заряджені позитивно, а $\beta$-частинки — негативно, вони відчувають протилежно напрямлені сили й відхиляються в різні боки, тоді як нейтральні $\gamma$-промені магнітним полем зовсім не відхиляються.

Якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню (від північного полюса $\text{N}$ до південного $\text{S}$), а чотири витягнуті пальці спрямувати вздовж початкового руху пучка вгору, то відігнутий на $90^\circ$ великий палець вкаже ліворуч — саме туди, куди відхиляється пучок $\alpha$-частинок, що доводить наявність у них позитивного заряду.

6. Відомо, що радон-222 (${}_{86}^{222}\mathrm{Rn}$) є $\alpha$-радіоактивним. Ядро якого елемента утвориться внаслідок $\alpha$-розпаду радону?

Під час $\alpha$-розпаду материнське ядро випромінює ядро атома гелію (${}_{2}^{4}\mathrm{He}$), тому зарядове число зменшується на 2, а масове число — на 4: ${}_{86}^{222}\mathrm{Rn} \to {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{84}^{218}\mathrm{Po}$. Отже, утворюється ядро полонію-218 (${}_{84}^{218}\mathrm{Po}$).

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як було відкрито явище радіоактивності?

Явище радіоактивності випадково відкрив у 1896 році французький фізик Анрі Беккерель, досліджуючи солі урану. Загорнувши фотопластинку в світлонепроникний чорний папір і поклавши на неї уранову сіль разом із мідним хрестиком у темну шухляду, після проявлення вчений побачив чіткий силует хреста, що довело здатність урану самочинно випускати невидиме випромінювання без дії світла.

2. Наведіть приклади природних радіонуклідів.

До природних радіонуклідів належать уран (${}^{238}\mathrm{U}$, ${}^{235}\mathrm{U}$), торій (${}^{232}\mathrm{Th}$), радій (${}^{226}\mathrm{Ra}$), радон (${}^{222}\mathrm{Rn}$), полоній (${}^{210}\mathrm{Po}$), а також радіоактивний ізотоп калію (${}^{40}\mathrm{K}$) та вуглецю (${}^{14}\mathrm{C}$).

3. Опишіть дослід із вивчення природи радіоактивного випромінювання.

Для вивчення природи випромінювання зразок радіоактивної речовини поміщали на дно товстостінного свинцевого контейнера з вузьким каналом, що створював тонкий спрямований пучок променів. Коли цей пучок пропускали через сильне магнітне поле, на розташованій навпроти фотопластинці після проявлення виникали три окремі плями: одна смуга відхилялася вліво ($\alpha$-частинки), інша значно сильніше відхилялася вправо ($\beta$-частинки), а центральна частина проходила прямо без відхилення ($\gamma$-промені).

4. Які види радіоактивного випромінювання ви знаєте? Якою є їхня фізична природа?

Існує три види радіоактивного випромінювання: $\alpha$-випромінювання являє собою потік важких ядер атомів гелію (${}_{2}^{4}\mathrm{He}$), що мають позитивний подвійний заряд; $\beta$-випромінювання є потоком швидких негативно заряджених електронів (${}_{-1}^{0}\mathrm{e}$), які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла; $\gamma$-випромінювання — це високочастотні електромагнітні хвилі без електричного заряду зі швидкістю поширення у вакуумі $3 \cdot 10^8\text{ м/с}$.

5. Як захиститися від радіоактивного випромінювання?

Для захисту від $\alpha$-випромінювання достатньо звичайного аркуша паперу чи шару одягу, оскільки воно має низьку проникну здатність. Від $\beta$-випромінювання надійно захищає алюмінієва пластина завтовшки кілька міліметрів або органічне скло, а для послаблення проникного й небезпечного $\gamma$-випромінювання необхідні масивні шари важких матеріалів — свинцю або товсті метрові стіни з бетону.

6. Наведіть означення радіоактивності.

Радіоактивність — це здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок або електромагнітних хвиль.

7. Що відбувається з ядром атома під час $\alpha$-розпаду? $\beta$-розпаду?

Під час $\alpha$-розпаду материнське ядро викидає $\alpha$-частинку (два протони й два нейтрони), унаслідок чого кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, а порядковий номер нового елемента стає на 2 одиниці меншим. Під час $\beta$-розпаду один із нейтронів ядра самочинно перетворюється на протон, електрон та антинейтрино, при цьому електрон вилітає з ядра, загальна кількість нуклонів не змінюється, а порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва зростає на 1.

ВПРАВА № 31

1. Які види радіоактивного випромінювання діяли на фотопластинку в дослідах А. Беккереля? Розгляньте два випадки: а) крупинки солі урану покладено безпосередньо на чорний папір, у який загорнуто пластинку; б) сіль урану покладено на мідний хрест, який так само покладено на загорнуту в чорний папір фотопластинку.

У випадку «а» шар паперу затримує малопроникні $\alpha$-частинки, тому на фотопластинку діяли $\beta$-випромінювання та $\gamma$-промені, які легко проникають крізь папір і викликають його засвічення.

У випадку «б» мідна пластинка хреста поглинає практично все $\beta$-випромінювання, тому крізь метал пройшло лише високопроникне $\gamma$-випромінювання (і найбільш високоенергетична частина $\beta$-спектра), що утворило на фотопластинці світліший силует хреста порівняно з оточуючим темним фоном.

2. Е. Резерфорд разом із Ф. Содді висунули гіпотезу про те, що в процесі радіоактивного розпаду відбувається перетворення ядер радіонуклідів, і сформулювали правила зміщення. Чому цих науковців інколи називають «батьками сучасної алхімії»?

Протягом багатьох століть середньовічні алхіміки безуспішно мріяли перетворити прості метали на золото за допомогою хімічних реакцій, що було принципово неможливо. Резерфорд і Содді вперше науково довели, що перетворення одних хімічних елементів на інші дійсно відбувається у природі, проте не на хімічному рівні за участю електронних оболонок, а на рівні самочинних перетворень атомних ядер.

3. Довжина хвилі $\gamma$-випромінювання у вакуумі $0{,}025\text{ нм}$. Визначте її частоту.

Остаточно одержуємо:
$\nu = \dfrac{c}{\lambda}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[\nu] = \dfrac{\text{м/с}}{\text{м}} = \dfrac{1}{\text{с}} = \text{Гц}$

Обчислення:
$\nu = \dfrac{3 \cdot 10^8}{2{,}5 \cdot 10^{-11}} = 1{,}2 \cdot 10^{19}\text{ (Гц)} = 12 \cdot 10^{18}\text{ Гц}$

Відповідь: $\nu = 12 \cdot 10^{18}\text{ Гц}$.

4. Скориставшись рис. 1, запишіть кілька рівнянь реакцій розпаду.

Аналізуючи схему ланцюжка радіоактивних перетворень на рис. 1 підручника, запишемо рівняння послідовних реакцій:

1. $\alpha$-розпад торію-232 з утворенням радію-228:
   ${}_{90}^{232}\mathrm{Th} \to {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{88}^{228}\mathrm{Ra}$

2. $\beta$-розпад радію-228 з утворенням актинію-228:
   ${}_{88}^{228}\mathrm{Ra} \to {}_{-1}^{0}\mathrm{e} + {}_{89}^{228}\mathrm{Ac}$

3. $\beta$-розпад актинію-228 з утворенням торію-228:
   ${}_{89}^{228}\mathrm{Ac} \to {}_{-1}^{0}\mathrm{e} + {}_{90}^{228}\mathrm{Th}$

4. $\alpha$-розпад торію-228 з утворенням радію-224:
   ${}_{90}^{228}\mathrm{Th} \to {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{88}^{224}\mathrm{Ra}$

5. Під час природного радіоактивного розпаду радію ${}_{88}^{228}\mathrm{Ra}$ із його ядер випускається $\beta$-частинка. На ядро якого елемента перетворюється при цьому ядро атома радію? Запишіть рівняння реакції.

За правилом зміщення для $\beta$-розпаду масове число дочірнього ядра залишається незмінним ($A = 228$), а протонне число збільшується на одиницю ($Z = 88 + 1 = 89$). Елемент під номером 89 у періодичній системі — це актиній ($\mathrm{Ac}$).

Рівняння реакції має вигляд:
${}_{88}^{228}\mathrm{Ra} \to {}_{-1}^{0}\mathrm{e} + {}_{89}^{228}\mathrm{Ac}$

Відповідь: на ядро актинію-228 (${}_{89}^{228}\mathrm{Ac}$).

6. На рис. 2 зображено ланцюжок послідовних радіоактивних розпадів. Запишіть відповідні ядерні реакції.

Проаналізуємо перетворення на рис. 2 крок за кроком:

1. Перетворення ${}_{84}^{216}\mathrm{Po} \to {}_{82}^{212}\mathrm{Pb}$: масове число змінилося на $\Delta A = 216 - 212 = 4$, зарядове число — на $\Delta Z = 84 - 82 = 2$. Це відповідає вильоту $\alpha$-частинки:
   ${}_{84}^{216}\mathrm{Po} \to {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{82}^{212}\mathrm{Pb}$

2. $\beta$-розпад ядра плюмбуму ${}_{82}^{212}\mathrm{Pb}$: масове число зберігається ($A = 212$), а зарядове число зростає на 1 ($Z = 82 + 1 = 83$). Елемент із порядковим номером 83 — це бісмут ($\mathrm{Bi}$):
   ${}_{82}^{212}\mathrm{Pb} \to {}_{-1}^{0}\mathrm{e} + {}_{83}^{212}\mathrm{Bi}$

3. Перетворення ядра ${}_{83}^{212}\mathrm{Bi}$ на полоній ${}_{84}^{212}\mathrm{Po}$: масове число не змінюється ($A = 212$), а зарядове число зростає від 83 до 84, тобто відбувається ще один $\beta$-розпад:
   ${}_{83}^{212}\mathrm{Bi} \to {}_{-1}^{0}\mathrm{e} + {}_{84}^{212}\mathrm{Po}$

7. Ядро францію-223 (${}_{87}^{223}\mathrm{Fr}$) перетворилося на ядро полонію-215 (${}_{84}^{215}\mathrm{Po}$). Скільки $\alpha$- і скільки $\beta$-розпадів відбулося?

Масове число зменшилося на величину $\Delta A = 223 - 215 = 8$. Оскільки $\beta$-розпад не змінює кількість нуклонів, а кожен $\alpha$-розпад зменшує її на 4, кількість $\alpha$-розпадів дорівнює:
$N_\alpha = \dfrac{\Delta A}{4} = \dfrac{8}{4} = 2$

Унаслідок двох $\alpha$-розпадів зарядове число мало б зменшитися на $2 \cdot 2 = 4$ і становити $87 - 4 = 83$. Оскільки кінцеве ядро має заряд $Z = 84$, а кожен $\beta$-розпад додає одиницю до заряду, кількість $\beta$-розпадів дорівнює:
$N_\beta = 84 - 83 = 1$

Відповідь: відбулося два $\alpha$-розпади та один $\beta$-розпад.

8. «Все є отрута, і все є ліки, — це залежить від дози». Ця фраза належить відомому лікарю епохи Відродження Парацельсу (справжнє ім’я — Філіп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгайм (1493–1541)). Дізнайтеся, як радіоактивне випромінювання використовують для лікування хворих.

У сучасній медицині властивість радіації знищувати швидкоподілювані клітини лежить в основі променевої терапії онкологічних захворювань. Спрямовані пучки високоенергетичного $\gamma$-випромінювання фокусують точно на пухлинах, руйнуючи патологічні клітини з мінімальним ушкодженням сусідніх здорових тканин.

Крім того, застосовують радіофармпрепарати: невеликі дози ізотопів (наприклад, радіоактивного йоду-131) вводять в організм, де вони накопичуються в ураженому органі (щитоподібній залозі) та опромінюють хворобу зсередини, або слугують мітками для ранньої та надточної діагностики.