Номер 11, страница 196, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 11. Квантовые явления. Параграф 109. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 11, страница 196.

Условие.

• Радиоактивные элементы.

Решение.

Что такое радиоактивные элементы?

Радиоактивные элементы — это химические элементы, атомы которых имеют нестабильные ядра. Нестабильность ядра, как правило, вызвана дисбалансом между количеством протонов и нейтронов. Для достижения более стабильного состояния такие ядра самопроизвольно (спонтанно) распадаются, испуская при этом ионизирующее излучение. Этот процесс называется радиоактивным распадом. В результате распада ядро исходного элемента (материнское ядро) превращается в ядро другого элемента или переходит в менее возбужденное состояние. Радиоактивность является свойством не элемента в целом, а его конкретных изотопов, называемых радиоизотопами или радионуклидами.

Ответ: Радиоактивные элементы – это элементы, обладающие нестабильными атомными ядрами, которые способны к самопроизвольному распаду с испусканием ионизирующего излучения.

Виды радиоактивного распада

Существует несколько основных типов радиоактивного распада, различающихся по виду испускаемых частиц или излучения.

1. Альфа-распад ($\alpha$-распад)

При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу, которая представляет собой ядро атома гелия ($_{2}^{4}\text{He}$), состоящее из двух протонов и двух нейтронов. В результате этого процесса массовое число ядра (A) уменьшается на 4, а его зарядовое число (Z) — на 2. Таким образом, исходный элемент превращается в другой элемент, смещенный на две клетки к началу таблицы Менделеева. Общая схема альфа-рапада:$_{Z}^{A}X \rightarrow _{Z-2}^{A-4}Y + _{2}^{4}\text{He}$Пример: распад урана-238 в торий-234:$_{92}^{238}\text{U} \rightarrow _{90}^{234}\text{Th} + _{2}^{4}\text{He}$Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но низкой проникающей способностью (задерживаются листом бумаги).

Ответ: Альфа-распад – это испускание ядром альфа-частицы ($_{2}^{4}\text{He}$), приводящее к уменьшению массового числа на 4 и зарядового числа на 2.

2. Бета-распад ($\beta$-распад)

Этот тип распада связан с превращением нуклонов (нейтронов или протонов) внутри ядра и сопровождается испусканием электронов или позитронов (бета-частиц). Массовое число ядра при бета-распаде не изменяется.

Электронный бета-распад ($\beta^{-}$-распад): происходит в ядрах с избытком нейтронов. Один из нейтронов превращается в протон, при этом испускается электрон ($_{-1}^{0}e^{-}$) и электронное антинейтрино ($\bar{\nu}_e$). Зарядовое число (Z) ядра увеличивается на 1.Схема распада: $_{Z}^{A}X \rightarrow _{Z+1}^{A}Y + _{-1}^{0}e^{-} + \bar{\nu}_e$Пример: распад углерода-14 в азот-14: $_{6}^{14}\text{C} \rightarrow _{7}^{14}\text{N} + _{-1}^{0}e^{-} + \bar{\nu}_e$

Позитронный бета-распад ($\beta^{+}$-распад): происходит в ядрах с избытком протонов. Один из протонов превращается в нейтрон, при этом испускается позитрон ($_{+1}^{0}e^{+}$) и электронное нейтрино ($\nu_e$). Зарядовое число (Z) ядра уменьшается на 1.Схема распада: $_{Z}^{A}X \rightarrow _{Z-1}^{A}Y + _{+1}^{0}e^{+} + \nu_e$

Бета-частицы имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность по сравнению с альфа-частицами (задерживаются слоем алюминия толщиной в несколько миллиметров).

Ответ: Бета-распад – это процесс, при котором ядро испускает электрон или позитрон, изменяя свое зарядовое число на единицу при неизменном массовом числе.

3. Гамма-распад ($\gamma$-распад)

Гамма-распад (или гамма-излучение) представляет собой испускание ядром высокоэнергетических фотонов (гамма-квантов). Этот процесс, как правило, сопровождает альфа- и бета-распады. После такого распада дочернее ядро часто оказывается в возбужденном состоянии. Переходя в основное, более стабильное состояние, ядро избавляется от избытка энергии, испуская гамма-квант. При гамма-распаде ни массовое, ни зарядовое число ядра не меняются.Схема процесса: $_{Z}^{A}X^{*} \rightarrow _{Z}^{A}X + \gamma$Звездочка (*) означает, что ядро находится в возбужденном состоянии. Гамма-излучение обладает слабой ионизирующей, но очень высокой проникающей способностью (для защиты требуются толстые слои свинца или бетона).

Ответ: Гамма-распад – это испускание ядром гамма-квантов для перехода из возбужденного состояния в стабильное, при котором зарядовое и массовое числа ядра не изменяются.

Закон радиоактивного распада и период полураспада

Процесс радиоактивного распада носит статистический характер. Скорость распада пропорциональна количеству имеющихся радиоактивных ядер. Закон радиоактивного распада описывает уменьшение числа нераспавшихся ядер $\text{N}$ со временем $\text{t}$:$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$где $N_0$ — начальное число ядер, $\lambda$ — постоянная распада, характеризующая вероятность распада для данного радионуклида.Важнейшей характеристикой радиоактивного элемента является его период полураспада ($T_{1/2}$) — время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Период полураспада связан с постоянной распада соотношением:$T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$Периоды полураспада различных радионуклидов варьируются в огромных пределах: от долей секунды до миллиардов лет (например, для урана-238 $T_{1/2} \approx$ 4,5 млрд лет).

Ответ: Закон радиоактивного распада описывает экспоненциальное уменьшение числа радиоактивных ядер со временем, а период полураспада – это время, за которое их количество сокращается вдвое.

Применение радиоактивных элементов

Несмотря на опасность, радиоактивные элементы нашли широкое применение в различных сферах:

Энергетика: Ядерные реакторы на атомных электростанциях используют управляемую цепную реакцию деления ядер урана-235 или плутония-239 для выработки огромного количества энергии.

Медицина: В диагностике (позитронно-эмиссионная томография) применяют короткоживущие изотопы для визуализации органов и тканей. В лучевой терапии (радиотерапии) излучение от источников, например, кобальта-60, используют для уничтожения раковых клеток.

Наука: Метод радиоуглеродного анализа, основанный на распаде углерода-14, позволяет определять возраст археологических находок органического происхождения. Уран-свинцовый метод используется для определения возраста горных пород.

Промышленность и техника: Изотопные источники используются в толщиномерах, уровнемерах, дефектоскопах для контроля качества продукции. Гамма-излучением стерилизуют медицинские инструменты и консервируют пищевые продукты. В бытовых датчиках дыма используется небольшое количество америция-241.

Ответ: Радиоактивные элементы применяются в энергетике (АЭС), медицине (диагностика, терапия), науке (датирование объектов) и промышленности (контрольные приборы, стерилизация).