Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Адпампоўваючы паветра з ампулы, якая змяшчала торый, Рэзерфорд вылучыў радыеактыўны газ і даследаваў яго іанізуючую здольнасць. Высветлілася, што актыўнасць гэтага газу (у адрозненне ад актыўнасці торыю, урану і радыю) вельмі хутка ўбывае з часам. Кожную мінуту актыўнасць убывае ў два разы, і праз дзесяць мінут яна практычна становіцца роўнай нулю. Содзі даследаваў хімічныя ўласцівасці гэтага газу і знайшоў, што ён не ўступае ні ў якія рэакцыі, г. зн. з’яўляецца інертным газам. Пасля газ быў названы радонам і змешчаны ў табліцу Д. I. Мендзялеева пад парадкавым нумарам 86.
Ператварэнні зведвалі і іншыя радыеактыўныя элементы: уран, актыній, радый. Агульны вывад, да якога прыйшлі вучоныя, быў дакладна сфармуляваны Рэзерфордам: «Атамы радыеактыўнага рэчыва спантанна1 відазмяняюцца. У кожны момант невялікая частка агульнага ліку атамаў робіцца няўстойлівай і выбуховападобна распадаецца. У пераважнай большасці выпадкаў выкідваецца з велізарнай скорасцю асколак атама — ачасціца. У некаторых іншых выпадках выбух суправаджаецца выкідваннем хуткага электрона і з’яўленнем праменяў, якія валодаюць, падобна да рэнтгенаўскіх праменяў, вялікай пранікальнай здольнасцю і вядомыя пад назвай увыпраменьвання.
Было выяўлена, што ў выніку атамнага ператварэння ўтвараецца рэчыва зусім новага віду, якое поўнасцю адрозніваецца па сваіх фізічных і хімічных уласцівасцях ад першапачатковага рэчыва. Гэта новае рэчыва, аднак, само таксама няўстойлівае і зведвае ператварэнне з выпраменьваннем характэрнага радыеактыўнага выпраменьвання2.
Такім чынам, дакладна ўстаноўлена, што атамы некаторых элементаў падвергнуты спантаннаму распаду, які суправаджаецца выпраменьваннем энергіі ў колькасцях, вялізных у параўнанні з энергіяй, што вызваляецца пры звычайных малекулярных відазмяненнях».
Пасля таго як было адкрыта атамнае ядро, адразу ж стала зразумела, што іменна яно зведвае змяненні пры радыеактыўных ператварэннях. ачасціц жа наогул няма ў электроннай абалонцы, а памяншэнне ліку электронаў абалонкі на адзінку ператварае атам у іон, а не ў новы хімічны элемент. Выкідванне ж электрона з ядра змяняе зарад ядра (павялічвае яго) на адзінку.
Такім чынам, радыеактыўнасць уяўляе сабой самаадвольнае ператварэнне адных ядзер у другія, якое суправаджаецца выпраменьваннем розных часціц.
1 Ад лацінскага слова spontaneus — самаадвольны.
2 У сапраўднасці могуць утварацца і стабільныя ядры.
222
Правіла зрушэння. Ператварэнні ядзер падпарадкоўваюцца так званаму правілу зрушэння, сфармуляванаму ўпершыню Содзі: пры араспадзе ядро траціць дадатны зарад 2е і маса яго ўбывае прыблізна на чатыры атамныя адзінкі масы. У выніку элемент зруійваецца на дзве клеткі да пачатку перыядычнай сістэмы. Сімвалічна гэта можна запісаць так:
^Х^224¥ + Ше.
Тут элемент абазначаецца, як і ў хіміі, агульнапрынятымі сімваламі: зарад ядра запісваецца ў выглядзе індэкса знізу ад сімвала злева, а атамная маса — у выглядзе індэкса зверху ад сімвала злева. Напрыклад, вадарод абазначаецца сімвалам [Н. Для ачасціцы, якая з’яўляецца ядром атама гелію, прымяняецца абазначэнне 2Не і г. д.
Пры pраспадзе з ядра вылятае электрон. У выніку зарад ядра павялічваецца на адзінку, а маса застаецца амаль нязменнай: zX^z+lY+>е.
Тут _°е абазначае электрон: індэкс «0» уверсе абазначае, што маса яго вельмі малая ў параўнанні з атамнай адзінкай масы. Пасля $распаду элемент зрушваецца на адну клетку бліжэй да канца перыядычнай сістэмы. Гамавыпраменьванне не суправаджаецца змяненнем зараду; маса ж ядра змяняецца вельмі мала.
Правілы зрушэння паказваюць, што пры радыеактыўным распадзе захоўваецца электрычны зарад і прыбліжана захоўваецца адносная атамная маса ядзер.
Узнікшыя пры радыеактыўным распадзе новыя ядры ў сваю чаргу звычайна таксама радыеактыўныя.
Пры радыеактыўным распадзе адбываецца ператварэнне атамных ядзер.
Якія з вядомых вам законаў захавання выконваюцца пры радыеактыўным распадзе?
§ 80. ЗАКОНЫ РАДЫЕАКТЫЎНАГА РАСПАДУ. ПЕРЫЯД ПАЎРАСПАДУ
Радыеактыўны распад падпарадкоўваецца статыстычнаму закону.
Рэзерфорд, даследуючы ператварэнні радыеактыўных рэчываў, устанавіў доследным шляхам, што іх актыўнасць убывае з цягам часу. Аб гэтым гаварылася ў папярэднім параграфе. Так, актыўнасць радону ўбывае ў два разы ўжо праз 1 мін. Актыўнасць такіх элементаў, як уран, торый і радый, таксама ўбывае з часам, але значна павольней. Для кожнага радыеактыўнага
223
рэчыва існуе пэўны інтэрвал часу, на працягу якога актыўнасць убывае ў два разы. Гэты інтэрвал носіць назву перыяду паўраспаду. Перыяд паўраспаду Т — гэта той час, на працягу якога распадаецца палавіна наяўнага ліку радыеактыўных атамаў. Памяншэння ж актыўнасці прэпарата ў два разы можна дасягнуць простым дзяленнем яго на дзве роўныя часткі.
Спад актыўнасці, г. зн. ліку распадаў у секунду, у залеж
насці ад часу для аднаго з радыеактыўных прэпаратаў паказаны на рысунку 180. Перыяд паўраспаду гэтага рэчыва роўны 5 сут.
Зно'йдзем цяпер матэматычную форму закону радыеактыўнага распаду. Няхай лік радыеактыўных атамаў у пачатковы момант часу (7 = 0) роўны No. Тады па сканчэнні перыяду паўраспаду No
гэты лік будзе роўны —. Пасля яшчэ аднаго такога ж інтэрвалу
часу гэты лік стане роўным
_1_2Уо___No
2 2 — 4
No 22 '
Па сканчэнні часу t = пТ, г. зн. пасля п перыядаў паўраспаду Т, радыеактыўных атамаў застанецца:
N = Nvj;.
Паколькі
П = у, TO ____________
N = N02 т.
(Ю.1)
Гэта і ёсць асноўны закон радыеактыўнага распаду. Па формуле (10.1) знаходзяць лік атамаў, што не распаліся, для любога моманту часу.
Перыяд паўраспаду — асноўная велічыня, якая характарызуе скорасць радыеактыўнага распаду. Чым меншы перыяд паўраспаду, тым менш часу жывуць атамы, тым хутчэй адбываецца распад. Для розных рэчываў перыяд паўраспаду мае значэнні, якія вельмі адрозніваюцца адно ад аднаго. Так, перыяд паўраспаду урану 928U роўны 4,5 млрд гадоў. Іменна таму актыўнасць урану на працягу адрэзка часу ў некалькі гадоў прыметна не мяняецца.
224
Рыс. 1. Схема раскладання белага святла з дапамогай прызмы. Розным колерам адпавядаюць хвалі рознай даўжыні. Нізкая пэўная даўжыня хвалі беламу святлу не адпавядае.
Рыс. II. Раскладанне і сінтэз белага святла з дапамогай прызмаў.
Рыс. III. Кольцы Ньютана ў адбітым святле:
1 — у белым; 2 — у чырвоным; 3 — у зялёным.
Рыс. IV. Спектры, атрыманыя з дапамогай дыфракцыйнай рашоткі:
1 — для белага святла; 2 — для монахраматычнага чырвонага святла; 3 — для монахраматычнага фіялетавага святла.
4 10 7 м 5Ю'7м 6 IO”7 м 7 107 м
Рыс. V. Спектры выпраменьвання: 1 — суцэльны; 2 — натрыю; 3 — вадароду; 4 — гелію. Спектры паглынання: 5 — сонечны; 6 — натрыю; 7 — вадароду; 8 — гелію.
Перыяд паўраспаду радыю значна меншы — ён роўны 1600 гадоў. Таму актыўнасць радыю значна большая, чым актыўнасць урану. Есць радыеактыўныя элементы з перыядам паўраспаду ў мільённыя долі секунды.
Каб, карыстаючыся формулай (10.1), вызначыць перыяд паўраспаду, трэба ведаць лік атамаў No у пачатковы момант часу і падлічыць лік атамаў ^, якія не распаліся, праз пэўны інтэрвал часу t.
Сам закон радыеактыўнага распаду даволі просты. Але фізічны сэнс гэтага закону ўявіць сабе нялёгка. Сапраўды, у адпаведнасці з гэтым законам за любы інтэрвал часу распадаецца адна і тая ж частка наяўных атамаў (за перыяд паўраспаду — палавіна атамаў). Значыць, з цягам часу скорасць распаду ніколькі не мяняецца. Радыеактыўныя атамы не «старэюць». Так, атамы радону, якія ўзніклі пры распадзе радыю, маюць аднолькавыя шансы зазнаць радыеактыўны распад як адразу ж пасля свайго ўтварэння, так і праз 10 мін пасля гэтага. Распад любога атамнага ядра — гэта, так сказаць, не «смерць ад старасці», а «няшчасны выпадак» у яго жыцці. Для радыеактыўных атамаў (дакладней, ядзер) не існуе паняцця ўзросту. Можна вызначыць толькі сярэдні час жыцця т.
Час існавання асобных атамаў можа вагацца ад доляў секунды да мільярдаў гадоў. Атам урану, напрыклад, можа спакойна праляжаць у зямлі мільярды гадоў і раптоўна ўзарвацца, у той час як яго суседзі спакойна працягваюць заставацца ў ранейшым стане. Сярэдні час жыцця т — гэта проста сярэдняе арыфметычнае часу жыцця дастаткова вялікай колькасці атамаў дадзенага сорту. Яно прама прапарцыянальна перыяду паўраспаду. Іірадказаць, калі адбудзецца распад дадзенага атама, немагчыма. Пэўньі сэяе маюць толькі сцверджанні аб паводзінах у сярэднім вялікай сукупнасці атамаў. Закон радыеактыўнага распаду вызначае сярэдні лік атамаў, якія распадаюцца за пэўны інтэрвал часу. Але заўсёды ёсць непазбежныя адхіленні ад сярэдняга значэння, і, чым меншая колькасць атамаў у прэпараце, тым большыя гэтыя адхіленні. Закон радыеактыўнага распаду з’яўляецца статыстычным законам.
Гаварыць аб пэўным законе радыеактыўнага распаду для малога ліку атамаў не мае сэнсу. Гэты закон справядлівы ў сярэднім для вялікай колькасці часціц.
I п
• Лі чыльнік рэпструе 0часціцы радыеактыўнага прэпарата вельмі малой інтэнсіўнасці. Ці спрацоўвае лічыльнік праз аднолькавыя інтэрвалы часу?
§ 81. ІЗАТОПЫ
Вывучэнне з’явы радыеактыўнасці прывяло да важнага адкрыцця, якое мае дачыненне да прыроды атамных ядзер.
8 Фізіка, 1 I
225
У выніку назірання вялікага ліку радыеактыўных ператварэнняў паступова высветлілася, што існуюць рэчывы, якія тоесныя па сваіх хімічных уласцівасцях, але маюць зусім розныя радыеактыўныя ўласцівасці (г. зн. якія распадаюцца рознымі спосабамі). Іх ніяк не ўдавалася падзяліць усімі вядомымі хімічнымі спосабамі. На гэтай аснове Содзі ў 1911 г. выказаў меркаванне аб магчымасці існавання элементаў з аднолькавымі хімічнымі ўласцівасцямі, але адрозных у іншых адносінах, у прыватнасці сваёй радыеактыўнасцю. Гэтыя элементы трэба змяшчаць у адну і тую ж клетку перыядычнай сістэмы Мендзялеева. Содзі назваў іх ізатопамі (г. зн. займаючымі аднолькавыя месцы).
Меркаванне Содзі атрымала бліскучае пацверджанне і глыбокае тлумачэнне праз год, калі Дж. Дж. Томсан зрабіў дакладныя вымярэнні масы іонаў неону метадам адхілення іх у электрычных і магнітных палях. Томсан выявіў, што неон з’яўляецца сумессю двух сартоў атамаў. Большая частка іх мае адносную масу, роўную 20. Але ёсць нязначная дабаўка атамаў з адноснай атамнай масай 22. У выніку адносная атамная маса сумесі роўна 20,2. Атамы, якія маюць адны і тыя ж хімічныя ўласцівасці, адрозніваліся масай. Абодва сарты неону, натуральна, займаюць адно і тое ж месца ў табліцы Мендзялеева і, значыць, з’яўляюцца ізатопамі. Такім чынам, ізатопы могуць адрознівацца не толькі сваімі радыеактыўнымі ўласцівасцямі, але і масай. Іменна апошняя акалічнасць і аказалася галоўнай. У ізатопаў зарады атамных ядзер аднолькавыя. Таму лік электронаў у абалонцы атамаў і, такім чынам, хімічныя ўласцівасці ізатопаў аднолькавыя. Але масы ядзер розныя. Прычым ядры могуць быць як радыеактыўнымі, так і стабільнымі. Адрозненне ўласцівасцей радыеактыўных ізатопаў звязана з тым, што іх ядры маюць розную масу.
КНІГІ ОНЛАЙН
