Теоретическая справка
Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.
Радиоактивность данного химического элемента не зависит от того, является ли химический элемент чистым или входит в состав какого-либо химического соединения. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, освещения, давления. Это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.
Радиоактивный распад – самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других химических элементов.
Распадающееся ядро $Х$ называется материнским ядром, ядро продукта распада $Y$– дочерним ядром.
Опыты Э. Резерфорда. Пучок радиоактивного излучения радия выходит сквозь узкое отверстие и попадает на фотопластинку (излучение радия происходит во все стороны, но сквозь толстый слой свинца оно пройти не может). После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно тёмное пятно — как раз в том месте, куда попадал пучок. Если пропустить радиоактивное излучение через сильное магнитное поле, то на проявленной пластинке возникает три пятна. Отклонение в разные стороны свидетельствует о разных знаках электрических зарядов частиц. В одном потоке присутствовали только положительно заряженные частицы, в другом — отрицательно заряженные. А центральный поток представлял собой излучение, не имеющее электрического заряда.
Положительный заряд был назван $\alpha$-излучение, оно представляет собой ядра атомов гелия . Отрицательный заряд был назван $\beta$-излучение представляет собой поток быстрых электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Оставшаяся компонента была названа $\gamma$-излучение, оно представляет собой электромагнитное излучение.
Проникающая способность $\alpha$-частиц в твердых телах обычно очень мала, $\beta$-частицы обладают большей проникающей способностью, чем $\alpha$-частицы. А $\gamma$- имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от $\gamma$-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже метров.
Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испусканием $\alpha$- и $\beta$-частиц, называются соответственно $\alpha$- и $\beta$-распадом. Термина «$\gamma$-распад» не существует, так как $\alpha$- и $\beta$-распад сопровождаются $\gamma$-излучением.
Правила смещения
1. $\alpha$-распад: $_{Z}^{A}\textrm{X}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{Z-2}^{A-4}\textrm{Y}$.
Если при радиоактивном превращении испускаются $\alpha$-частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного ядра плюс ядро атома гелия (или $\alpha$-частица), например
$_{88}^{226}\textrm{Ra}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{86}^{222}\textrm{Rn}$.
2. электронный $\beta$-распад: $_{Z}^{A}\textrm{X}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{Z+1}^{A}\textrm{Y}$.
Если при радиоактивном превращении испускаются $\beta$-частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева в следующей после исходного ядра клетке плюс электрон, например
$_{27}^{60}\textrm{Co}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{28}^{60}\textrm{Ni}$.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. На рисунке представлен график изменения количества N радиоактивных ядер с течением времени t.
Согласно графику период полураспада равен _________________________ с.
Видно, что за каждые 20 секунд количество атомов уменьшается в 2 раза, например, в интервале времени от 20 с до 40 с количество атомов уменьшается в два раза с $40 \cdot 10^6$ до $20 \cdot 10^6$. Значит, период полуспада равен 20 с. Ответ: 20 с.
2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного большого числа радиоактивных ядер. На рисунке показан график изменения массы находящегося в пробирке радиоактивного изотопа с течением времени. Определите период полураспада этого изотопа.
Так как за время равное периоду полуспада количество атомов уменьшается в 2 раза, то и масса радиоактивного вещества также уменьшится в два раза. По графику видно, что это произойдет за 1 месяц (масса уменьшается с первоначальных 3 мг до 1,5 мг). Ответ: 1 мес.
3. На рисунке представлена цепочка превращений радиоактивного урана-238 в стабильный свинец-206.
Используя данные рисунка, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1. Уран-238 превращается в стабильный свинец-206 с последовательным выделением шести альфа-частиц и шести бета-частиц.
2. Самый малый период полураспада в представленной цепочке радиоактивных превращений имеет полоний-214.
3. Свинец с атомной массой 206 не подвержен самопроизвольному радиоактивному распаду.
4. Уран-234 в отличие от урана-238 является стабильным элементом.
5. Самопроизвольное превращение радия-226 в радон-222 сопровождается испусканием бета-частицы.
Утверждение 1 — неверно. В цепочек превращений 8 альфа-распадов. Утверждение 2 — верно. Полоний-214 имеет период полураспада 0,000164 секунды, что меньше, чем у других элементов. Утверждение 3 — верно. Изотоп свинца-206 является стабильным, т.е. не испытывает радиоактивный распад. Утверждение 4 — неверно. Оба изотопа испытывают альфа-распад. Утверждение 5 — неверно. Самопроизвольное превращение радия-226 в радон-222 сопровождается испусканием альфа-частиц. Ответ: 23
4. На рисунке представлена цепочка превращений радиоактивного урана-238 в стабильный свинец-206.
Используя данные рисунка, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1. В цепочке превращений урана-238 в стабильный свинец-206 выделяется шесть электронов.
2. Самый большой период полураспада в представленной цепочке радиоактивных превращений имеет уран-234.
3. Свинец-210 является стабильным элементом.
4. Самой высокой энергией обладают альфа-частицы, образуемые в результате радиоактивного распада полония-214.
5. Превращение висмута-214 в полоний-214 сопровождается испусканием ядра гелия.
Утверждение 1 — верно. В цепочек превращений 6 бета-распадов. Утверждение 2 — неверно. Самый большой период полураспада у урана-238 (4,47 млрд. лет). Утверждение 3 — неверно. Изотоп свинца-210 испытывает радиоактивный бета-распад. Утверждение 4 — верно. При распаде полония-214 энергия альфа-частиц самая большая (7,69 МэВ). Утверждение 5 — неверно. Превращение висмута-214 в полоний-214 сопровождается испусканием бета-частиц (электронов). Ответ: 14
5. При испускании γ-кванта
1. массовое и зарядовое числа ядра не изменяются
2. массовое и зарядовое числа ядра увеличиваются
3. массовое число ядра не изменяется, зарядовое число ядра увеличивается
4. массовое число ядра увеличивается, зарядовое число ядра не изменяется
При испускании γ-кванта ни массовое, ни зарядовое числа ядра не меняются. Ответ: 1
6. При α-распаде ядра его зарядовое число
1) уменьшается на 2 единицы
2) уменьшается на 4 единицы
3) увеличивается на 2 единицы
4) увеличивается на 4 единицы
При α-распаде ядра его зарядовое число уменьшается на 2 единицы. Ответ: 1
7. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией β-распада?
А. $_{7}^{15}\textrm{N}+_{1}^{1}\textrm{p}=_{6}^{12}\textrm{C}+_{2}^{4}\textrm{He}$
Б. $_{91}^{231}\textrm{Ac}=_{89}^{227}\textrm{Ac}+_{2}^{4}\textrm{He}$
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
В результате β-распада образуется электрон. Этого не наблюдается ни в первой реакции, ни во второй. Первая реакции вообще не относится к радиоактивному распаду (бомбардировка атомов азота протонами), вторая — радиоактивный α-распад. Ответ: 4
8. Ниже приведены уравнения двух ядерных реакций. Какая из них является реакцией α-распада?
А. $_{92}^{239}\textrm{U}=_{93}^{239}\textrm{Np}+_{-1}^{0}\textrm{e}$
Б. $_{4}^{7}\textrm{Be}=_{2}^{3}\textrm{He}+_{2}^{4}\textrm{He}$
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Первая реакция — реакция β-распада, т.к. образуется β-частица (электрон $_{-1}^{0}\textrm{e}$), а вторая — реакция α-распада, т.к. в результате распада образуется α-частица (ядро гелия $_{2}^{4}\textrm{He}$). Ответ: 2
9. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?
1. положительный и равный по модулю элементарному заряду
2. положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3. отрицательный и равный по модулю элементарному заряду
4. бета-частицы не имеют заряда
Заряд бета-частиц отрицательный, т.к. оно представляет собой поток электронов. Модуль заряда элетрона, а значит и бета-частицы, равен элементарному. Ответ: 3
10. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Какой заряд имеет альфа-частица?
1. отрицательный и равный по модулю элементарному заряду
2. положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3. отрицательный и равный по модулю двум элементарным зарядам
4. положительный и равный по модулю элементарному заряду
Альфа-частица представляет собой поток полностью ионизированных атомов гелия или поток ядер гелия. Ядро имеет положительный заряд. Ядро гелия содержит два протона, значит его заряд будет равен двум элементарным. Ответ: 2
11. Ядро тория $_{90}^{230}\textrm{Th}$ превратилось в ядро радия $_{88}^{226}\textrm{Ra}$. Какую частицу испустило при этом ядро тория?
1. нейтрон $_{1}^{0}\textrm{n}$
2. протон $_{1}^{1}\textrm{p}$
3. α-частицу $_{2}^{4}\textrm{He}$
4. β-частицу $_{0}^{-1}\textrm{e}$
В результате распада заряд ядра уменьшился на 2 единицы ($90-88=2$), а массовое число на 4 единицы ($230-226=4$). Значит, ядро тория испускает α-частицу $_{4}^{2}\textrm{He}$. Ответ: 3
12. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?
1. α-излучение
2. β-излучение
3. γ-излучение
4. поток нейтронов
Альфа-излучение представляет собой поток полностью ионизированных атомов гелия или поток ядер гелия, которые имеют положительный заряд. Ответ: 1
13. Радиоактивный препарат помещён в магнитное поле. В этом поле могут отклониться
А. α-лучи.
Б. β-лучи.
Правильным ответом является
1. только А
2. только Б
3. и А, и Б
4. ни А, ни Б
И α-лучи, и β-лучи отклоняются магнитным полем, т.к. представляют собой потоки заряженных частиц, движущиеся в магнитном поле. А на движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, вызывая искривление ее траектории. Ответ: 3
14. Естественная радиоактивность элемента
1. зависит от температуры окружающей среды
2. зависит от атмосферного давления
3. зависит от химического соединения, в состав которого входит радиоактивный элемент
4. не зависит от перечисленных факторов
Радиоактивность вещества зависит только от внутреннего строения атомов вещества и не зависит от температуры, атмосферного давления и иных факторов. Ответ: 4
15. Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок).
Компонента (2) соответствует
1. гамма-излучению
2. альфа-излучению
3. бета-излучению
4. протонному излучению
Компонента 2 соответствует гамма-излучению, т.к. видно, что оно не отклоняется магнитным полем. Ответ: 1
16. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, изотоп какого элемента образуется в результате электронного бета-распада висмута.
1. изотоп свинца
2. изотоп таллия
3. изотоп полония
4. изотоп астатина
Напишем уравнение реакции электронного бета-распада висмута $_{83}^{209}\textrm{Bi}=_{-1}^{0}\textrm{e}+_{84}^{209}\textrm{Po}$. Образуется изотоп полония. Ответ: 3
17. Используя фрагмент Периодической системы химических элементов, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра урана-238.
1. ядро протактиния
2. ядро тория
3. ядро нептуния
4. ядро плутония
Напишем уравнение реакции α-распада ядра урана-238 $_{92}^{238}\textrm{U}=_{2}^{4}\textrm{He}+_{90}^{234}\textrm{Th}$. Образуется ядро тория. Ответ: 2
18. Изотоп тория $_{90}^{230}\textrm{Th}$ претерпевает α-распад. Чему равно зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада?
При α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 88. Ответ: 88
19. Радиоактивный изотоп натрия $_{11}^{22}\textrm{Na}$ испытывает β-распад. Чему равно массовое число ядра, полученного в результате этого распада?
При β-распаде массовое число ядра, полученного в результате этого распада, равно массовому числу ядра, испытывающего β-распад. Ответ: 22
20. Чему равно зарядовое число ядра, которое образуется из ядра радия $_{88}^{224}\textrm{Ra}$ после двух последовательных α-распадов?
При каждом α-распаде зарядовое число уменьшается на две единицы, т.е. зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада будет равно 84. Ответ: 84
21. В результате α-распада ядра тория получилось ядро радия-226. Чему было равно массовое число этого изотопа тория?
При α-распаде массовое число уменьшается на 4 единицы, т.е. зарядовое число ядра, испытавшего α-распад будет на 4 единицы больше, чем у радия с массовым числом 226: 226+4=230. Ответ: 230
22. В результате β-распада ядра нептуния возникает ядро плутония $_{94}^{240}\textrm{Pu}$. Чему было равно зарядовое число этого ядра нептуния?
При β-распаде зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада, больше на единицу, чем зарядовое число ядра, испытавшего распад, т.е. зарядовое число нептуния будет равно 93. Ответ: 93
23. Каково зарядовое число ядра, получившегося в результате электронного β-распада ядра осмия $_{76}^{195}\textrm{Os}$?
При β-распаде зарядовое число ядра, полученного в результате этого распада, увеличивается на единицу по сравнению зарядовым числом ядра, испытывающем распад, т.е. будет равно 77. Ответ: 77