№ 5 Закон радиоактивного распада

Урок № 5 14.04.20.

Тема: Закон радиоактивного распада

Цель урока: Сформировать понятие периода полураспада, получить закон радиоактивного распада

1. Организационный момент

Тема нашего урока: Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Сегодня мы повторим основные сведения о строении атома, атомного ядра, естественной радиоактивности и получим закон радиоактивного распада

2. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению новой темы, предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

1) Перечислите частицы, из которых состоит ядро атома.
2) Что показывает массовое число элемента?
3) Что такое изотопы?
4) Что такое межмолекулярные силы?
5) Что такое ядерные силы?
6) Между какими частицами действуют ядерные силы?
7) Чем ядерные силы отличаются от кулоновских?
8) Правило смещения для α-распада
9) Правило смещения для β-распада. Откуда берётся электрон из ядра?
10) Почему ядро не рассыпается на нуклоны, ведь протоны отталкиваются друг от друга?

11) Меняется ли характер кулоновского взаимодействия внутри ядра при увеличении порядкового номера?

3. Изучение нового материала

Радиоактивный распад подчиняется статистическому закону. Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Так, активность радона убывает в 2 раза уже через 1 мин. Активность таких элементов, как уран, торий и радий, тоже убывает со временем, но гораздо медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название период полураспада.

Период полураспада Т — это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

В ыведем теперь математическую форму закона радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t = 0) равно N₀. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно

Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным:

Эта формула и есть закон радиоактивного распада, связывающая число способных к распаду ядер в начальный момент времени к числу не распавшихся ядер по истечении времени t. По этой формуле можно найти число не распавшихся ядер в любой момент времени.

Период полураспада — основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени «живут» ядра, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Так, период полураспада урана  равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.

Чтобы, пользуясь формулой, определить период полураспада, надо знать число атомов N₀ в начальный момент времени и число не распавшихся атомов N спустя определенный интервал времени t.

Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона уяснить себе нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется?

Радиоактивные ядра «не стареют». Так, ядра радона, возникающие при распаде радия, претерпевают радиоактивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных ядер не существует понятия возраста. Можно определить лишь их среднее время жизни  .

Время существования отдельных ядер может варьироваться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, тогда как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии.

Среднее время жизни   — это просто среднее арифметическое времени жизни достаточно большого количества атомов данного вида. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад ядра данного атома, невозможно. Смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Закон радиоактивного распада определяет среднее число ядер атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и, чем меньше количество радиоактивных ядер в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом.

Говорить об определенном законе радиоактивного распада для малого числа ядер атомов не имеет смысла. Этот закон справедлив в основном для большого количества частиц.

4. Первичное закрепление

1.Что определяет период полураспада?

2.Какие величины связывает закон радиоактивного распада?

3. Почему закон радиоактивного распада является статистическим законом?

Существует такое понятие, как искусственная радиоактивность. Это радиоактивный распад изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Впервые такое понятие было введено Фредериком и Ирен Жолио-Кюри, которые обнаружили, что некоторые нерадиоактивные вещества после облучения становятся радиоактивными. Например, при бомбардировке алюминия a-частицами образуется радиоактивный изотоп фосфора. Этот изотоп через две с половиной минуты образует кремний с испусканием позитрона и нейтрино (позитрон является античастицей).

Как долго может продолжаться радиоактивный распад? От чего зависит количество испускаемых частиц? Ответ на этот вопрос вы знаете, вы уже познакомились с законом радиоактивного распада. Просмотрим еще раз.

При изучении радиоактивности, было замечено, что разные ядра испускают частицы с различной интенсивностью. В связи с этим, Марией Склодовской-Кюри было введено понятие активности. 

Активность – это число распавшихся ядер в единицу времени. Опытным путем было установлено, что активность прямо пропорциональна исходному количеству ядер.

Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является постоянная распада. Функция зависимости количества оставшихся активных ядер от времени имеет вид

Итак, количество активных ядер зависит от начального количества ядер и экспоненциально убывает с течением времени. Для упрощения этого уравнения, Резерфорд предложил ввести такое понятие как период полураспада. 

Периодом полураспада данного радиоактивного вещества называется промежуток времени, за который количество исходных ядер уменьшается в два раза.

По определению периода полураспада, в этот момент времени, количество распавшихся ядер будет равно половине исходного количества ядер.

Периоды полураспадов различных элементов сведены в таблицы, поэтому, используя эту формулу очень легко найти количество оставшихся активных ядер в определенный момент времени.

5. Домашняя работа

Самостоятельная работа. ПРОВЕРЯЕТСЯ

1. Какая доля радиоактивных ядер некоторого элемента распадается за время, равное половине периода полураспада?

2. Сколько процентов радиоактивных ядер кобальта останется через месяц. Если период полураспада равен 71 дню?

3.Активность радиоактивного элемента уменьшилась в 4 раза за 8 дней. Найти период полураспада.

4. Чем объяснить, что счетчик Гейгера регистрирует возникновение ионизированных частиц и тогда, когда поблизости от него нет радиоактивного препарата?

5. Где больше длина пробега альфа – частиц: у поверхности земли или в верхних слоях атмосферы? Ответ поясните.