Измерение радиоактивного излучения

Лабораторная работа № 6

Цель: 1. Ознакомиться с явлением радиоактивности

2. Изучить принцип работы и правила применения дозиметра радиоактивного

излучения

Принадлежности: 1. Индикатор радиоактивности «Радекс».

2. Кювета с минеральным удобрением «Калий сернокислый».

Литература: 1. Трофимова Т.И. Курс физики, учебное пособие. – 12 издание, Москва,

Академия, 2006, § 255 – 259.

2. Касьянов В.А. Физика, 11 класс. – Москва: Дрофа, 2002, § 81,83,84, 89.

 

Теоретическое введение

1. Строение атомного ядра. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов (p) – положительно заряженных частиц и из нейтронов (n) – частиц, не имеющих электрического заряда. Протоны и нейтроны имеют общее название – нуклоны. Заряд протона равен модулю заряда электрона. Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе элементов, обозначается буквой Z и называется зарядовым числом. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Общее число протонов Z и нейтронов N в ядре называется массовым числом A.

А = Z + N

Атом химического элемента обозначается символом Х, а его ядро символом , где А – массовое число, Z – зарядовое число ядра. Заряд ядра равен Ze, здесь е – элементарный заряд. Например, в состав ядра гелия входят два протона и два нейтрона, поэтому его символ .

Атомы с одним и тем же зарядом ядра Ze, но с разным массовым числом А называются изотопами. Ядра изотопов химического элемента содержат одинаковое число протонов Z, но разное число нейтронов N. Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек атомов, практически одинаковые химические свойства и занимают одно и то же место в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева. У каждого химического элемента в большинстве случаев существует постоянное содержание различных изотопов. Изотопы водорода: протий - , дейтерий - или , тритий - или . Изотопы гелия: , .

Ядра атомов представляют собой устойчивые образования, хотя между положительными протонами существует кулоновское отталкивание. Устойчивость ядер означает, что между нуклонами в ядрах действуют особые силы притяжения, значительно большие сил кулоновского отталкивания между протонами. Силы притяжения, удерживающие протоны и нейтроны в атомном ядре, называют ядерными силами.

Ядерные силы имеют неэлектростатическую природу. Для них характерна зарядовая независимость, то есть силы взаимодействия протона с нейтроном, нейтрона с нейтроном и протона с протоном примерно одинаковы. Ядерные силы короткодействующие, они проявляются лишь на малых расстояниях, порядка 10^-15 м. Кроме того им свойственно насыщение, когда каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.

2. Радиоактивность. В 1986 г. французский физик А.Беккерель установил, что соли урана испускают невидимое проникающее излучение (лучи), которое не было известно в то время. Вещества, испускающие эти излучения, были названы р адиоактивными, а свойство вещества, связанное с наличием этих излучений, - радиоактивностью. Исследования показали, что радиоактивность сопровождается превращением химических элементов и не зависит от того, находится ли вещество в виде чистого элемента или соединения, а также от внешних условий (температуры, давления и др.). Отсюда следует, что радиоактивность является свойством атомных ядер.

Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения атомных ядер в другие ядра с испусканием различных видов излучений. Различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых (нестабильных) изотопов, существующих в природе. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов, полученных в ядерных реакциях.

Радиоактивное излучение по составу неоднородно. Было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивным элементом, в магнитном поле разделяется на три вида, которые назвали α – излучение (лучи), β – излучение, γ – излучение (рис.1).

Рис.1 - Схема расщепления в Рис. 2 – Схема β – распада ядра лития Li

магнитном поле радиоактивного излучения

 

Дальнейшие исследования установили природу радиоактивных излучений.

α (альфа) – излучение представляет собой поток ядер гелия , обладающих высокой энергией. Это излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью.

β бета) – излучение представляет поток быстрых электронов. Оно также отклоняется электрическим и магнитным полями, его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способность гораздо больше, чем у α – частиц.

γ (гамма) – излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с очень малой длиной волны λ < 10^-10м. Оно обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами и потому является потоком частиц, называемых γ (гамма)- квантами. При испускании γ – излучения параметры ядра не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Это излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью.

Радиоактивные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием α – и β – излучений, называют α – распадом и β – распадом, соответственно. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским, а ядро, возникающее после распада называют дочерним.

Испускание α – частицы материнским ядром приводит к образованию дочернего ядра, массовое число которого меньше на 4 единицы, чем у исходного А. При этом зарядовое число у дочернего ядра меньше на 2 единицы, чем у исходного, материнского ядра Z, то есть в результате α – распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы. Например, при испускании α – частицы ядром радия (Z= 88, A=226) возникает ядро радона (Z= 86, A= 222) согласно уравнению: .

При β – распаде материнское ядро превращается в дочернее с таким же массовым числом А. Массовое число не изменятся, поскольку масса испускаемого электрона очень мала. А зарядовое число Z увеличивается на единицу, то есть порядковый номер у нового, дочернего ядра на единицу больше, чем у исходного, материнского. При β – распаде в ядре происходит превращение нейтрона в протон. Например, при β – распаде ядра изотопа лития возникает ядро бериллия согласно уравнению: (рис.2).

При испускании γ (гамма) – излучения в ядре происходит перегруппировка нуклонов, при которой зарядовое Z и массовое А числа не изменяются.

В общем виде смещение ядер в Периодической таблице элементов при радиоактивных распадах подчиняется правилам смещения: