Закон радиоактивного распада

При оценке степени опасности, которую радиоактивные изотопы представляют для живых существ, важно учитывать и то, что число радиоактивных (то есть ещё не распавшихся) ядер атомов убывает с течением времени. Как следствие, уменьшается число распадов в единицу времени и излучаемая энергия.

— Интересно, а можно ли узнать, какое именно ядро распадётся первым в рассматриваемом радиоактивном веществе? А какое будет следующим? А какое ядро окажется «долгожителем» и распадётся последним?

Учёные говорят, что предугадать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Но в то же время поведение радиоактивного вещества в целом подчинено чётко определённой закономерности.

Эту закономерность можно показать на простом примере. Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество радона, окажется, что приблизительно через 57 секунд количество радона в колбе уменьшится вдвое.

Ещё через 57 секунд из оставшихся атомов снова останется половина и так далее. Вот этот промежуток времени, в течение которого исходное количество ядер радиоактивного элемента примерно уменьшается вдвое, был назван периодом полураспада.

Обозначается период полураспада большой буквой Т, а единицей его измерения в СИ является секунда. Хотя применяются и внесистемные единицы, так как значения периодов полураспада различных радиоактивных изотопов находятся в самом широком диапазоне — от доли микросекунды до десятка миллиардов лет.

При этом, период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твёрдом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада не зависит от времени, места и условий, в которых находится радиоактивное вещество. Иными словами, количество радиоактивных ядер «тогда», и «сейчас» зависит только от промежутка времени прошедшего с момента начала регистрации процесса распада ядер.

Как мы говорили на прошлом уроке, закон, который описывает интенсивность радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце, был открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом в 1903 году. В своей работе «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» они сформулировали закон радиоактивного распада следующим образом: во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

Давайте и мы выведем эту зависимость.

Полученное соотношение и выражает математическую запись закона радиоактивного распада:

Из последнего равенства видно, что чем больше период полураспада радиоактивного элемента, тем дольше он живёт и излучает, представляя опасность для живых организмов.

Это также можно проиллюстрировать и с помощью графика зависимости количества нераспавшихся ядер от времени.

Отметим, что закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Для примера давайте определим какая доля ядер изотопа прометия-147 с периодом полураспада 2,6 года сохраниться через 5 лет.

В заключении урока хотелось бы обсудить с вами вот какой вопрос. Всем вам известно, что многие алхимики средневековья (и не только) мечтали изобрести философский камень, способный превращать неблагородные металлы (и прежде всего ртуть) в серебро и золото.

И вот, в конце 19 — начале 20 века люди открыли два замечательных явления: явления естественной и искусственной радиоактивности, при которых происходит превращение ядер одного химического элемента в ядра других химических элементов.

Так что, мечта алхимиков о превращении веществ в золото осуществилась?

На самом деле — нет. Учёные выяснили, что исходное (как говорят физики — материнское) ядро атома радиоактивного элемента с течением времени претерпевает целый ряд преобразований. А именно: ядро атома элемента А₁ превращается в ядро атома элемента А₂, потом — в ядро атома элемента А₃ и так далее. Причём в этой цепочке не может быть случайных «гостей», скажем, ядра атома элемента В.

Совокупность всех изотопов, возникающих в результате ряда последовательных радиоактивных преобразований данного материнского элемента, называют радиоактивным рядом.

Позднее было обнаружено, что существуют всего четыре естественных радиоактивных ряда, объединяющих все известные в природе радиоактивные элементы: это ряд тория, ряд нептуния, ряд радия, и ряд актиния.