Краткая теория исследуемого явления. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы других элементов

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы других элементов, сопровождающееся испусканием элементарных частиц.

Изотопами называют атомы, имеющие один и тот же атомный номер Z, но различные массовые числа А (например, – водород, – дейтерий, – тритий). Изотопы каждого химического элемента разделяются на стабильные и нестабильные – радиоактивные. Радиоактивность, наблюдающаяся у природных изотопов, называется естественной.

Естественное радиоактивное излучение обычно состоит из трех компонентов:

α-лучи – обладают малой проникающей способностью и сильным ионизирующим действием (поток ядер гелия);

β-лучи – легкие частицы с большей проникающей способностью и меньшим ионизирующим действием (поток быстрых электронов);

γ-лучи – излучение с наивысшей проникающей способностью и наименьшим ионизирующим действием (поток фотонов высокой энергии).

В результате α-распада получается ядро элемента, стоящего в периодической системе элементов на 2 клетки раньше исходного.

β-распад – процесс самопроизвольного превращения материнского ядра в дочернее ядро с одновременным испусканием электрона.

γ-излучение – это жесткое электромагнитное излучение (длина волны от 1 А до 0,003 А), испускаемое дочерним ядром, находившимся в момент своего образования в возбужденном состоянии.

Пусть в некоторый момент времени t имеется N ядер изотопа. Тогда количество распавшихся за время dt атомов dN будет пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

– dN = Ndt, (1)

где есть вероятность распада ядра за единицу времени, знак «–» в формуле (1) означает, что число нераспавшихся ядер уменьшается. Интегрирование выражения (1) приводит к закону радиоактивного распада:

. (2)

Время, в течение которого начальное число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т:

N (T) = (1/2) N₀ = N₀e ^{- T}. (3)

Из (3) следует:

ln N (T) = ln N₀ – ln 2 ln N₀ – T, (4)

отсюда

T = ln 2/ 0,693/ . (5)

Число ядер, распадающихся в единицу времени, называется активностью препарата:

А = |dN/dt|. (6)

Из (5) и (1) следует, что

T = ( 0,693 /A)N. (7)

В настоящее время известно около 1100 радиоактивных изотопов. Так, природный калий представляет собой смесь трех изотопов: , . Первые два стабильны, а – радиоактивен.

89% распадаются по схеме: , а 11% распадаются по схеме: + е _{к ,}

где е _к электрон, захваченный ядром из К-оболочки атома (так называемый К-захват), – нейтрино, – антинейтрино. Таким образом, радиоактивный распад по первой схеме сопровождается -излучением, которое регистрируется в предлагаемой лабораторной работе с помощью газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера.