Атомы и радиоактивность-раздел физика

Радиоактивные атомы нестабильны, потому что в их ядре избыток внутренней энергии. Со временем они самопроизвольно претерпевают процесс, называемый радиоактивным распадом, чтобы перейти в более стабильную форму. Атомы и радиоактивность и то, как они связаны, - важная тема в физике, которая находит применение в реальном мире во всех областях жизни. Знаете ли вы, например, что пожарная сигнализация обнаруживает дым благодаря перехвату пучков атомного излучения?

Атомы и радиоактивные взаимосвязи
Взаимосвязь между атомами и радиоактивностью изложена в этом разделе. По сути, радиоактивность - это свойство определенных атомов, ядра которых нестабильны. Чтобы понять взаимосвязь между радиоактивными атомами и радиоактивностью, нам нужно знать, как измерять уровни излучения, испускаемого радиоактивными материалами. Как только у нас будет подходящая методика измерения, станет возможным установление взаимосвязей и закономерностей между радиоактивными элементами и излучением, которое они излучают.

Измерение радиоактивности
Мы можем измерить активность радиоактивных источников с помощью трубки Гейгера-Мюллера, прикрепленной к счетчику. Радиоактивность измеряется с использованием скорости счета, что означает количество обнаруженных распадов в секунду. Стандартной единицей активности является беккерель (Бк). Таким образом, источник, который имеет 10 распадов в секунду, будет иметь скорость счета 10 Бк. Когда радиоактивный изотоп распадается, он испускает радиоактивный продукт, обычно альфа-частицу, бета-частицу или гамма-волну. Каждый раз, когда один из этих продуктов радиоактивного распада попадает в трубку Гейгера-Мюллера, счетчик щелкает, и скорость счета отображается оператору.

Радиоактивные изотопы
Разные радиоактивные ядра будут распадаться с разной скоростью, даже между разными изотопами одного и того же элемента. Один изотоп может быть даже стабильным, в то время как другой изотоп того же элемента радиоактивен. Более массивные элементы, как правило, более радиоактивны, потому что их более крупные ядра с большей вероятностью будут иметь нестабильный избыток внутренней энергии.

Атомы и радиоактивность: период полураспада
Важным понятием при понимании радиоактивного распада является период полураспада радиоактивного изотопа . Период полураспада радиоактивного изотопа определяется как время, необходимое для распада половины изотопов в образце. Альтернативно, период полураспада можно описать как время, необходимое для снижения скорости счета образца до половины его первоначального уровня. Возможно, вам интересно, почему период полураспада так важен для изучения. Ответ заключается в том, что радиоактивный распад является случайным.

Представьте, что вы изучаете одно нестабильное ядро висмута-210. Было бы невозможно определить, когда он распадется из-за случайного характера радиоактивного распада. Однако, если бы у вас был блок радиоактивного материала весом 1 кг, содержащий примерно 10-25 атомов висмута-210, тогда вы могли бы быть почти уверены, что некоторые из радиоактивных изотопов распадутся. Если для уменьшения скорости счета образца вдвое требуется пять дней, то вы знаете, что период полураспада висмута-210 составляет пять дней.

Иногда продолжительность жизни радиоактивного элемента значительно превышает разумное время наблюдения. Например, период полураспада урана-238 составляет примерно 4,5 миллиарда лет. Ученые могут использовать хитроумные статистические методы, чтобы определить, когда половина нестабильных ядер в образце распалась бы, наблюдая за образцом в течение относительно короткого промежутка времени.

Практически знание периода полураспада материала полезно при оценке того, сколько времени потребуется, прежде чем радиоактивный образец перестанет представлять опасность для здоровья, например, радиоактивные отходы с атомной электростанции. Альтернативным применением является использование метода, называемого радиоуглеродным датированием, с помощью которого мы можем оценить возраст древних останков.

Углерод-14 является радиоактивным изотопом более распространенного углерода-12, стабильного изотопа. Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Живые организмы содержат много углерода, как и их окаменелости.Измеряя соотношение углерода-14 (который распадается со временем) и углерода-12 (который не распадается) в образце, мы можем оценить его возраст.

Структура атома и радиоактивность
На самом деле, благодаря радиоактивности мы вообще понимаем основную структуру атома. После открытия электрона в 1897 году Дж. Дж. Томсоном самой популярной теорией строения атома была модель сливового пудинга или модель Томсона. Томсон предположил, что отрицательно заряженные "сливы" (электроны) были окружены положительно заряженной "пудрой".

В 1905 году Эрнст Резерфорд проверил модель сливового пудинга, направив пучок альфа-частиц на полоску золотой фольги. Альфа-частицы - это форма излучения с большим положительным зарядом. Он ожидал, что альфа-частицы пройдут через золото без отклонения, поскольку положительно заряженный ‘пудинг’ должен быть равномерно распределен. Однако очень небольшое количество альфа-частиц отклонялось, иногда отражаясь полностью.

Он предположил, что атом на самом деле состоит из небольшого, компактного и положительно заряженного ядра, окруженного облаком электронов, называемого моделью Резерфорда. Подавляющее большинство альфа-частиц прошло через атом без какого-либо отклонения, доказывая, насколько маленьким было ядро по сравнению с атомом в целом.

Влияние радиоактивности на атом
Радиоактивный атом будет изменен после радиоактивного распада, который может происходить несколькими различными способами. Радиоактивный распад может произойти из-за нестабильного ядра, испускающего излучение. Наиболее распространенными формами распада являются альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи или нейтронные выбросы. Каждый тип излучения обладает различными свойствами и характеристиками.

Атомы и радиоактивность: альфа-излучение
Когда в ядре атома слишком мало нейтронов по сравнению с протонами, оно испускает альфа-частицу "?", состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Это помогает восстановить баланс внутри ядра и уменьшить отношение протонов к нейтронам.

Альфа-частицаточно такая же, как ядро гелия. Следовательно, альфа-распад приведет к тому, что ядро атома потеряет массовое число 4 и протонное число 2. Это полезно при использовании ядерных уравнений, поскольку мы можем определить, на какой элемент распадется ядро.

Атомы и радиоактивность: бета-частица
В отличие от альфа-распада, если в нестабильном ядре слишком много нейтронов по сравнению с протонами, оно испускает бета-частицу "?". Нейтрон внутри ядра самопроизвольно превращается в протон, выбрасывая при этом высокоскоростной электрон. Бета-частица буквально состоит из одного электрона.

Бета-распад приведет к превращению атома в другой элемент. Помните, что нейтрон превратился в протон. Это увеличит число протонов в ядре на единицу, но сохранит массовое число неизменным, поскольку электрон практически не имеет массы. Бета-частица может быть записана какилив контексте ядерных уравнений. Ядерное уравнение бета-распада цезия-137 на барий-137, показанное в приведенном выше примере, является.

Атомы и радиоактивность: гамма-излучение
После альфа- или бета-распада атомное ядро иногда все еще будет иметь избыток внутренней энергии. Ядро будет излучать эту энергию в виде гамма-излучения "?", которое представляет собой электромагнитную волну высокой энергии.

В отличие от альфа- или бета-излучения, гамма-лучи представляют собой волны, а не частицы. Следовательно, во время гамма-излучения число протонов и массовое число остаются полностью неизменными. Это записывается какв ядерном уравнении. Ядро теряет некоторую энергию, но атомная структура не меняется.

Атомы и радиоактивность: эмиссия нейтронов
Некоторые радиоактивные изотопы способны распадаться, испуская нейтроны ‘?’ с высокими скоростями. Чаще всего это наблюдается во время ядерного деления (которое является формой радиоактивного распада) радиоактивных изотопов с высокой массой и высоким отношением нейтронов к протонам. В зависимости от изотопа, который подвергается распаду, одновременно может испускаться один или несколько нейтронов.

Когда ядро испускает нейтрон, его массовое число уменьшается на 1, но число протонов остается неизменным. Обычно это записывается как. Обозначенный элемент атома зависит только от числа протонов, а не от массового числа. Это означает, что одно только излучение нейтронов никогда не изменит элемент атома, хотя оно изменит его на другой изотоп.

Атомы и радиоактивность - основные выводы
Атомы содержат три различных типа субатомных частиц: протоны, нейтроны и электроны.
Некоторые ядра по своей природе нестабильны из-за избытка энергии в ядре. Это радиоактивные изотопы. Они будут подвергаться процессу, называемому радиоактивным распадом, чтобы перейти в более стабильную форму.
Радиоактивность можно измерить с помощью трубки Гейгера-Мюллера. Активность измеряется в скорости счета, а единицами измерения скорости счета являются Беккерели (Bq).
Разные радиоактивные изотопы будут распадаться с разной скоростью. Более массивные ядра, как правило, более радиоактивны, поскольку в их ядрах больше избытка энергии.
Период полураспада - это время, необходимое для распада половины радиоактивных изотопов в образце, или время, необходимое для уменьшения скорости счета вдвое. Это измерение проводится, поскольку радиоактивный распад является случайным.
Излучение использовалось для обнаружения внутренней структуры атома.
Радиоактивные ядра могут испускать несколько различных типов излучения с различными свойствами и характеристиками.
Альфа-распад происходит, когда нейтронов слишком мало по сравнению с протонами. Высвобождается альфа-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов.
Бета-распад может произойти, когда нейтронов слишком много по сравнению с протонами. Нейтрон самопроизвольно превращается в протон, который выбрасывает электрон с высокой скоростью.
Атомная структура атома не изменяется во время гамма-излучения, поскольку излучение принимает форму волны, а не частицы.
Эмиссия нейтронов происходит в основном во время деления атомных ядер.

Одновременно может испускаться несколько нейтронов.