§ 31. ДОСЛІДЖУЄМО ЯВИЩЕ РАДІОАКТИВНОСТІ

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Розглянь малюнок 31.1, який ілюструє дослід із вивчення випромінювань, що виходять від радіоактивної речовини, розміщеної у свинцевому контейнері.

• Визнач, як змінюється напрям кожного виду випромінювання у магнітному полі.

Потік $\alpha$-частинок відхиляється ліворуч, потік $\beta$-частинок відхиляється праворуч у протилежний бік, а $\gamma$-промені не змінюють свого напрямку і проходять крізь магнітне поле прямолінійно.

• Поясни, чому $\alpha$-частинки відхиляються в один бік, $\beta$-частинки — у протилежний, а $\gamma$-промені не відхиляються.

На рухомі заряджені частинки в магнітному полі діє сила Лоренца, напрямок якої залежить від знака заряду. $\alpha$-частинки мають позитивний заряд, а $\beta$-частинки — негативний, тому магнітне поле відхиляє їх у протилежні боки. $\gamma$-промені є нейтральними електромагнітними хвилями, вони не мають електричного заряду, тому магнітне поле на них не діє.

• Яке випромінювання відхиляється найбільше?

Найбільше відхиляється потік $\beta$-частинок. Маса електрона приблизно в 7300 разів менша за масу $\alpha$-частинки, тому $\beta$-частинки значно легші й набувають під дією сили Лоренца набагато більшого прискорення.

Що відбувається з ядрами в результаті радіоактивності?

У результаті радіоактивного розпаду вихідні нестабільні ядра самочинно розпадаються і перетворюються на ядра інших хімічних елементів, випускаючи мікрочастинки та електромагнітне випромінювання.

ДУМАЙ

1. Яка особливість відкритого Анрі Бекерелем випромінювання вказувала на його незвичайність?

Випромінювання солей Урану відбувалося постійно й самочинно без жодного зовнішнього впливу. На інтенсивність цього випромінювання не впливали ні сонячне світло, ні нагрівання, ні тиск чи хімічні перетворення сполуки.

2. У чому суть явища радіоактивності? Чому явище радіоактивності дозволило вченим підійти до дослідження атомів?

Радіоактивність — це здатність ядер атомів деяких хімічних елементів самочинно перетворюватися на ядра інших елементів із випусканням частинок та електромагнітного випромінювання. Це явище переконало фізиків у тому, що атом не є неподільним, а має складну внутрішню будову і містить колосальний запас внутрішньої енергії.

3. Чому для дослідження властивостей радіоактивного випромінення використовували метод відхилення в магнітному полі?

Магнітне поле діє виключно на рухомі електричні заряди. Завдяки цьому вчені змогли розділити складний пучок невідомого випромінювання на окремі складові й за напрямком відхилення дізнатися знак їхнього заряду, а за кривизною траєкторії — оцінити масу та швидкість частинок.

4. Які спільні й відмінні ознаки мають радіоактивні частинки? Опиши властивості $\alpha$-, $\beta$-, $\gamma$-променів.

Спільним для $\alpha$- і $\beta$-частинок є те, що вони вилітають ізсередини ядер із високою швидкістю, несуть електричний заряд та здатні іонізувати речовину.

Відмінність полягає в їхній фізичній природі, масі, знаку заряду та проникній здатності.

Властивості $\alpha$-променів:

• Складаються з ядер атома Гелію (2 протони і 2 нейтрони).
• Мають заряд $q_{\alpha} = +3{,}2 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$ і масу $m_{\alpha} = 6{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$.
• Мають низьку проникну здатність (затримуються аркушем паперу чи шаром повітря товщиною 2–$9\text{ см}$), але спричиняють сильну іонізацію.

Властивості $\beta$-променів:

• Складаються з потоку швидких електронів.
• Мають негативний елементарний заряд і швидкість, близьку до швидкості світла ($0{,}999c$).
• Проникають у повітрі на кілька метрів, а в твердих тілах — на кілька сантиметрів; повністю поглинаються тонким листом алюмінію.

Властивості $\gamma$-променів:

• Являють собою високочастотне електромагнітне випромінювання (не є частинками речовини).
• Не мають електричного заряду і маси спокою.
• Мають надзвичайно високу проникну здатність і проходять крізь товсті шари металів; для їх послаблення необхідний шар свинцю товщиною понад $20\text{ см}$.

5. Які закони збереження виконуються під час радіоактивного розпаду?

Під час радіоактивного розпаду строго виконуються закон збереження електричного заряду (сума зарядових чисел ядер і частинок до розпаду дорівнює їх сумі після розпаду), закон збереження масового числа (загальне число нуклонів залишається сталим), закон збереження енергії та закон збереження імпульсу.

6. У чому суть правила зміщення? Поясни, як виконуються правила зміщення, якщо ядро атома Ксенону втратить один нейтрон.

Правило зміщення показує, на скільки клітинок і в який бік переміщується новоутворений хімічний елемент у Періодичній системі хімічних елементів Менделєєва порівняно з материнським ядром. Під час $\alpha$-розпаду елемент зміщується на дві клітинки ліворуч, а під час $\beta$-розпаду — на одну клітинку праворуч.

Якщо ядро Ксенону втратить один нейтрон, його порядковий номер не зміниться, тому що заряд нейтрона дорівнює нулю ($Z = 54$). Масове число зменшиться на 1. Елемент залишиться Ксеноном, але перетвориться на його легший ізотоп, тобто зміщення в таблиці Менделєєва не відбудеться.

7. Чи зміниться хімічна природа елемента в разі випромінювання ним $\gamma$-променів? $\alpha$-частинок?

У разі випромінювання $\gamma$-променів хімічна природа елемента не змінюється, оскільки ядро не втрачає протонів і лише переходить ізі збудженого стану в стан із меншою енергією.

У разі випромінювання $\alpha$-частинки хімічна природа обов’язково зміниться, тому що ядро втрачає 2 протони, його порядковий номер зменшується на 2, і утворюється ядро зовсім іншого елемента.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Ядро атома $^{225}_{88}\text{Ra}$ зазнало $\beta$-розпаду. Застосовуючи правила зміщення, запиши рівняння розпаду.

Дано:

• Материнське ядро: $^{225}_{88}\text{Ra}$
• Вид розпаду: $\beta$-розпад ($^{0}_{-1}\text{e}$)

Знайти:

• Рівняння розпаду — ?

Розв’язання:
Загальне правило зміщення для $\beta$-розпаду:
$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A}_{Z+1}\text{Y} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$
Для Радію-225:
$A = 225$
$Z = 88 - (-1) = 89$
Елемент із порядковим номером 89 — це Актиній ($\text{Ac}$).

$^{225}_{88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{225}_{89}\text{Ac} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$

Відповідь: $^{225}_{88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{225}_{89}\text{Ac} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$.

2. Ядро якого елемента утворилося після $\alpha$-розпаду ізотопу $^{220}_{86}\text{Rn}$?

Дано:

• Материнське ядро: $^{220}_{86}\text{Rn}$
• Вид розпаду: $\alpha$-розпад ($^{4}_{2}\text{He}$)

Знайти:

• Дочірнє ядро — ?

Розв’язання:
Загальне правило зміщення для $\alpha$-розпаду:
$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + \text{ }^{4}_{2}\text{He}$
Для Радону-220:
$A = 220 - 4 = 216$
$Z = 86 - 2 = 84$
Елемент із зарядовим числом 84 — це Полоній ($\text{Po}$).

$^{220}_{86}\text{Rn} \rightarrow\ ^{216}_{84}\text{Po} + \text{ }^{4}_{2}\text{He}$

Відповідь: $^{220}_{86}\text{Rn} \rightarrow\ ^{216}_{84}\text{Po} + \text{ }^{4}_{2}\text{He}$ (утворилося ядро Полонію-216).

3. У верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів утворюється радіоактивний ізотоп Карбону-14. На який елемент він перетвориться під час $\beta$-розпаду? Застосовуючи правила зміщення, запиши рівняння розпаду.

Дано:

• Материнське ядро: $^{14}_{6}\text{C}$
• Вид розпаду: $\beta$-розпад ($^{0}_{-1}\text{e}$)

Знайти:

• Рівняння розпаду — ?

Розв’язання:
Загальне правило для $\beta$-розпаду:
$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A}_{Z+1}\text{Y} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$
Для Карбону-14:
$A = 14$
$Z = 6 + 1 = 7$
Елемент із порядковим номером 7 — це Нітроген ($\text{N}$).

$^{14}_{6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{7}\text{N} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$

Відповідь: $^{14}_{6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{7}\text{N} + \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$ (Карбон-14 перетворюється на Нітроген-14).

4. Альфа-частинку поглинула речовина. Де поділась $\alpha$-частинка?

$\alpha$-частинка під час руху крізь речовину втрачає кінетичну енергію на іонізацію навколишніх атомів і гальмує. Оскільки вона є двозарядним ядром атома Гелію, після повної зупинки вона захоплює з навколишнього середовища два вільні електрони і стає звичайним нейтральним атомом Гелію.

5. На який елемент перетворюється $^{238}_{92}\text{U}$ після трьох $\alpha$-розпадів та двох $\beta$-розпадів?

Дано:

• Вихідне ядро: $^{238}_{92}\text{U}$
• Кількість $\alpha$-розпадів: $N_{\alpha} = 3$
• Кількість $\beta$-розпадів: $N_{\beta} = 2$

Знайти:

• Кінцевий елемент — ?

Розв’язання:
Кожен $\alpha$-розпад зменшує масове число на 4, а зарядове на 2.
Кожен $\beta$-розпад не змінює масове число, а зарядове збільшує на 1.

Розраховуємо нове масове число $A$:
$A = 238 - 3 \cdot 4 - 2 \cdot 0 = 238 - 12 = 226$

Розраховуємо нове зарядове число $Z$:
$Z = 92 - 3 \cdot 2 + 2 \cdot 1 = 92 - 6 + 2 = 88$

Елемент із порядковим номером 88 — це Радій ($\text{Ra}$). Отже, кінцевим продуктом є ізотоп Радію $^{226}_{88}\text{Ra}$.

Відповідь: $^{226}_{88}\text{Ra}$ (Радій-226).

6. Унаслідок радіоактивного розпаду ядро $\text{U}^{238}$ перетворюється на ядро $\text{Pb}^{206}$. Скільки $\alpha$- і $\beta$-розпадів при цьому відбувається?

Дано:

• Початкове ядро: $^{238}_{92}\text{U}$
• Кінцеве ядро: $^{206}_{82}\text{Pb}$

Знайти:

• Кількість $\alpha$-розпадів: $x - ?$
• Кількість $\beta$-розпадів: $y - ?$

Розв’язання:
Загальне рівняння ланцюжка розпадів має вигляд:
$^{238}_{92}\text{U} \rightarrow\ ^{206}_{82}\text{Pb} + x \cdot \text{ }^{4}_{2}\text{He} + y \cdot \text{ }^{0}_{-1}\text{e}$

Складаємо рівняння для збереження масового числа:
$238 = 206 + 4x + 0y$
$4x = 238 - 206$
$4x = 32$
$x = 8$

Складаємо рівняння для збереження зарядового числа:
$92 = 82 + 2x - y$
Підставляємо знайдене значення $x = 8$:
$92 = 82 + 2 \cdot 8 - y$
$92 = 82 + 16 - y$
$92 = 98 - y$
$y = 98 - 92$
$y = 6$

Відповідь: $8\ \alpha$-розпадів та $6\ \beta$-розпадів.