Физика › 9 класс › Строение атомного ядра

Тема 41Радиоактивные превращения. Изотопы. Период полураспада

★★★

Термины темы — найди их в тексте:ИзотопыПериод полураспадаальфа-распадебета-распадеГамма-излучение

При радиоактивном распаде одно ядро превращается в другое — меняется сам химический элемент.

Правила смещения

При альфа-распаде ядро выбрасывает альфа-частицу и теряет 2 протона и 2 нейтрона:

{}^{A}_{Z}X\to{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{A-4}_{Z-2}Y.

Например, радий превращается в радон: ${}^{226}_{88}\mathrm{Ra}\to{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{222}_{86}\mathrm{Rn}$ .

При бета-распаде нейтрон в ядре превращается в протон и электрон, и электрон вылетает:

{}^{A}_{Z}X\to{}^{\ 0}_{-1}e+{}^{A}_{Z+1}Y.

Гамма-излучение испускают ядра, переходя из возбуждённого состояния в обычное; при этом $Z$ и $A$ не меняются.

Альфа-распад: ядро выбрасывает ядро гелия. Бета-распад: из ядра вылетает электрон Иллюстрация: light-fizika.ru

Правило смещения

При альфа-распаде элемент смещается на две клетки к началу таблицы Менделеева, при бета-распаде — на одну клетку к её концу.

Цепочка радиоактивных превращений тяжёлых элементов Иллюстрация: light-fizika.ru

Изотопы

Определение

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.

Химические свойства изотопов одинаковы, а массы разные. У водорода три изотопа: протий ${}^1_1\mathrm{H}$ , дейтерий ${}^2_1\mathrm{H}$ и тритий ${}^3_1\mathrm{H}$ . У углерода — устойчивые ${}^{12}\mathrm{C}$ , ${}^{13}\mathrm{C}$ и радиоактивный ${}^{14}\mathrm{C}$ .

Изотопы водорода и углерода Иллюстрация: light-fizika.ru

Период полураспада

Нельзя предсказать, когда распадётся отдельное ядро: это случайность. Но для огромного числа ядер действует строгий закон.

Определение

Период полураспада ( $T$ ) — время, за которое распадается половина имеющихся радиоактивных ядер.

Закон радиоактивного распада

N=N_0\cdot2^{-t/T}.

За время $T$ остаётся половина ядер, за $2T$ — четверть, за $3T$ — восьмая часть.

За каждый период полураспада число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое Иллюстрация: light-fizika.ru

Изотоп	Период полураспада
уран-238	4,5 млрд лет
углерод-14	5730 лет
радий-226	1600 лет
йод-131	8 суток
радон-222	3,8 суток

В жизни

Радиоуглеродный метод. В живом организме доля углерода-14 постоянна, а после гибели она уменьшается с периодом полураспада 5730 лет. Измерив, сколько углерода-14 осталось, определяют возраст древних деревянных предметов, тканей, костей.

Пример решения

Было 800 радиоактивных ядер с периодом полураспада 2 ч. Сколько их останется через 6 ч?

$6\ \text{ч}=3T$ , поэтому $N=\dfrac{800}{2^3}=100$ ядер.

Образ для запоминания

Полураспад — «половинка от половинки»: 100 % → 50 % → 25 % → 12,5 %… Ровно нулём число ядер не станет, но очень быстро становится ничтожным.

⚗ Мини-опыт

Запустите распад 400 ядер и следите за графиком. Сколько ядер останется через один период полураспада? Через два? Можно ли предсказать, какое ядро распадётся следующим?

▶ Симуляция PhET

На экране «Много атомов» добавьте в ящик много ядер полония и следите за графиком. За какое время распадается половина ядер?

Альфа-распадОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Как меняются

Z

A

при альфа-распаде?

Ядро теряет 2 протона и 2 нейтрона.

2Какая часть ядер останется через два периода полураспада?

\frac12\cdot\frac12=\frac14

3Чем различаются изотопы одного элемента?

Число протонов у них одинаковое.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

Какое ядро образуется при альфа-распаде урана ${}^{238}_{92}\mathrm{U}$ ?
Ответ
${}^{234}_{90}\mathrm{Th}$ — торий.
Как получилось?
Какое ядро образуется при бета-распаде углерода ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ ?
Ответ
${}^{14}_{7}\mathrm{N}$ — азот.
Как получилось?
Что такое период полураспада?
Ответ
Время, за которое распадается половина радиоактивных ядер.
Как получилось?
Период полураспада 10 мин. Какая часть ядер останется через 30 мин?
Ответ
$\dfrac{1}{2^3}=\dfrac18$ .
Как получилось?
Чем изотопы водорода отличаются друг от друга?
Ответ
Числом нейтронов в ядре: 0, 1 и 2.
Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

За 24 сут количество радиоактивного йода уменьшилось в 8 раз. Найдите период полураспада.
Ответ
$8=2^3$ , значит $3T=24$ сут, $T=8$ сут.
Как получилось?
Сколько альфа- и бета-распадов происходит при превращении ${}^{238}_{92}\mathrm{U}$ в ${}^{226}_{88}\mathrm{Ra}$ ?
Ответ
$A$ уменьшилось на 12 — три альфа-распада ( $Z$ стало бы 86). Чтобы $Z$ стало 88, нужны ещё два бета-распада.
Как получилось?
В древесине осталось в 4 раза меньше углерода-14, чем в живом дереве. Каков возраст находки?
Ответ
$2T=2\cdot5730\approx11\,500$ лет.
Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Изотопы

Атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.

Период полураспада (

T

)

Время, за которое распадается половина имеющихся радиоактивных ядер.

Альфа-распад

Z уменьшается на 2, A — на 4: вылетает ядро гелия.

Бета-распад

Z увеличивается на 1, A не меняется: вылетает электрон.

Закон радиоактивного распада

N = N₀·2^(−t/T): за каждый период ядер вдвое меньше.

Радиоуглеродный метод

Возраст находок по остатку углерода-14 (T = 5730 лет).

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.