Явление радиоактивности. Ядерные реакции.


Зотина Ирина Михайловна, учитель химии МАОУ «Лицей №2» г. Перми 2015-2016 уч. год
Тема урока: «Явление радиоактивности. Ядерные реакции»
Тип урока — урок–лекция (для 11 класса с профильным изучением химии).
Цели:образовательная: формирование понятий: радиоактивность, ядерные реакции;
развивающая: развитие логического мышления, навыков проектно-исследовательской деятельности;
воспитательная: формирование научного мировоззрения, идеи единства мира
Атомы химических элементов не являются вечными и неизменными, и могут превращаться друг в друга. У некоторых элементов атомы неустойчивы и распадаются с образованием более лёгких атомов. Ядро расщепляется и из его протонов и нейтронов образуется два новых ядра, а электроны исходного атома перераспределяются между двумя образовавшимися атомами. Иногда при распаде исходного ядра оно испускает протоны или нейтроны. Такой процесс называется радиоактивным распадом, а про элемент говорят, что он радиоактивен. Признаками радиоактивности является испускание частиц и выделение энергии.
Открытие французским физиком Беккерелем в 1896 году радиоактивности урана стало первым шагом в научном решении проблемы превращения элементов. В 1898 г. Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность у тория и открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радий.
+

α-лучиγ-лучиβ-лучиИсточник радиоактивности
Экран для регистрации излучения
Радиоактивные вещества испускают лучи 3-х типов. Все они вызывают свечение некоторых веществ (например, сульфида цинка), ионизируют газы, сквозь которые проходят, но они по-разному ведут себя в электрическом поле.
α-лучи — ядра атомов гелия; β-лучи — поток электронов; γ-лучи электрического заряда не несут. Это высокочастотное электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, обладающее большой проникающей способностью. γ-лучи могут проходить сквозь металлы толщиной 0,1 м. Действие γ-лучей можно обнаружить после прохождения слоя стали 30 см.
Все элементы, находящиеся в периодической системе после висмута, радиоактивны. Среди них существует только три ядра, а именно торий-232, уран-235, уран-238, продолжительность жизни которых настолько велика, что они сохраняются на Земле в течение 4,5–5 млрд. лет. Наличие в недрах Земли других элементов, стоящих в периодической системе после висмута, объясняется постоянным их образованием за счёт радиоактивного распада тория-232, урана-235 (называемого актиноураном), урана-238. Перечисленные изотопы являются родоначальниками природных радиоактивных рядов тяжёлых элементов, получивших название ряда тория, ряда актиния, ряда урана соответственно.
Скорость радиоактивного распада не зависит от внешних условий, например, температуры. Скорость, с которой распадается радиоактивный элемент, нельзя увеличить или уменьшить. Она зависит от природы изотопа и от его количества в данный момент времени. В этом состоит отличие ядерных превращений от обычных химических реакций. Число ядер (N) радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, прямо пропорционально их общему количеству (Q)
N = λ · Q,
где λ — коэффициент пропорциональности, или константа радиоактивного распада. Для каждого радиоактивного элемента λ имеет своё определённое значение.
Кривая радиоактивного распада
N0/2
N0/4
N0/8
t1/22t1/2
3t1/2
4t1/2
N0/16
N0
N
tN — число ядер радиоактивного изотопа, t — время
С константой радиоактивного распада связан период полураспада (t1/2). Это то время, в течение которого распадается половина числа радиоактивных ядер данного элемента. Значение величины периода полураспада лежит в очень широком диапазоне — от нескольких тысячных долей секунды до тысяч миллионов лет. Для большинства радиоактивных изотопов период полураспада составляет от 30 секунд до 10 дней.
Очевидно, что в земных условиях можно встретить элемент только в случае, если он «пережил» те 5 млрд. лет, которые существует Земля, или его запасы пополняются за счёт ядерных реакций.
Выведем математическое уравнение, описывающее закон радиоактивного распада. Оно свяжет значение массы m(t) радиоактивного изотопа в момент времени t c начальной массой m0
Число прошедших периодов полураспада (n) Масса радиоактивного изотопа
t1/2
2t1/2 : 2 =
3t1/2 : 2 =
4t1/2 : 2 =
Показатель степени - количество прошедших периодов полураспада n; n = . Таким образом mt = .
Для тория-232 t1/2 = 1,4 · 1010 лет
Для урана-235 t1/2 = 7 · 108 лет
Для урана-238 t1/2 = 4,5 · 109 лет
В процессе α-распада (испускание ядра атома гелия) атомная масса изотопа уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра уменьшится на 2. В процессе β-распада (испускание электрона нейтроном ядра) атомная масса не изменится, т.к. образовавшийся при этом из нейтрона протон имеет ту же массу, что и нейтрон, а количество протонов в ядре, т.е. порядковый номер увеличится на единицу.
В природных радиоактивных рядах происходит только α- или β-распад. Поэтому массовое (нуклонное) число (сумма масс протонов и нейтронов) внутри каждого ряда либо уменьшается на 4 единицы, либо вообще не меняется.
В качестве единиц радиоактивности приняты Кюри (распад 37 млрд., т.е. 3,7 · 1010 ядер в секунду); Резерфорд (в 37 000 раз меньшая единица радиоактивности, чем Кюри, т.е. 106 ядер в секунду).
Радиоактивность можно вызвать искусственно, бомбардируя устойчивые изотопы различными частицами. Впервые подобное превращение осуществил Резерфорд (1919 г.), бомбардируя атомы азота α-частицами
+ → → +
В данном процессе изотоп фтора — промежуточное неустойчивое ядро с очень короткой (10-7 с) продолжительностью жизни — компаунд-ядро.
Сотрудник лаборатории Резерфорда Чедвик установил существование нейтрона (1932 г), бомбардируя α-частицами ядра бериллия
+ → +
В зависимости от применяемого снаряда (бомбардирующая частица) и образующегося осколка, ядерные реакции классифицируют на типы. На первом месте в названии типа реакции указывают снаряд, затем — осколок. Таким образом, ядерная реакция, проведённая Резерфордом, относится к типу (α; p), а реакция, доказавшая существование нейтрона, — (α; n). Наиболее эффективными снарядами являются нейтроны, так как они не несут заряда, а значит не испытывают отталкивания от положительно заряженных ядер мишени.
В 1934 г. была проведена ядерная реакция с испусканием позитрона — положительно заряженной частицы с массой электрона:
+ → + (α, n)
→ +
Изучение ядерных реакций имеет большую как теоретическую, так и практическую ценность. Это и получение новых химических элементов, и применение разрушающего действия радиоактивности на злокачественные клетки, и использование ядерной энергии, происхождение которой объясняется тем, что масса ядра всегда несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Эта разница, называемая дефектом массы, преобразуется в энергию связи ядра, то есть энергию, которую необходимо затратить для разъединения ядра на отдельные нуклоны. Соотношение между массой и энергией определяется уравнением Эйнштейна: Е=mc2, где Е - выделившаяся энергия, m - дефект массы. Так как значение c2 очень велико, то даже небольшое уменьшение массы эквивалентно выделению очень большого количества энергии. Это и служит причиной того, что нуклоны ядра связаны столь прочно, а ядерные реакции являются важным источником энергии.
Начиная с 1940 г. были получены новые элементы с порядковыми номерами больше 92 — порядкового номера самого тяжёлого из естественных элементов — урана. Они получили название трансурановых элементов. Так, например, нептуний получили, облучая 238U нейтронами. Процесс сопровождается образованием изотопа 239U, который в дальнейшем подвергается радиоактивному распаду.
+ → → +
Далее следует цепочка превращений
→ +
→ +
Плутоний был открыт в 1941 г. группой исследователей, в которую входил химик и физик-ядерщик Г. Сиборг. Совместно с учёными Радиационной лаборатории Лоуренса им были открыты кюрий, америций, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий. В 1997 г. в его честь был назван 106-й элемент периодической системы — сиборгий.
Физики лаборатории ядерных реакций им. Флёрова г. Дубны совместно с учёными-ядерщиками США получили 118-й элемент периодической системы слиянием атомов калифорния и кальция (98-й и 20-й химические элементы периодической системы соответственно). 118-й элемент получил временное название «Унуноктий» (от корней латинских числительных) (2006 г.).
О вреде радиоактивного излучения стали говорить только после того, как в 1945 г. атомные бомбы были сброшены на города Японии. Но учёные всегда верили, что человечество способно «извлечь из новых открытий больше блага, чем зла» (М.Кюри). Многие из них посвятили свою жизнь борьбе с использованием атома в военных целях.
Домашнее задание
Определите природу частиц (1); (2);. Укажите, к каким группам периодической системы относятся элементы X, Y, Z
Z
Синтез с участием атомов водорода-2 (2H — дейтерия) является источником энергии при взрыве водородной бомбы. Когда два атома дейтерия сталкиваются при очень больших скоростях, то возможно протекание одной из 2-х реакций. Приведите схемы обеих реакций.
И.М. Зотина,учитель химииМАОУ «Лицей №2» г. Перми

Приложенные файлы

  • docx fil 1.doc
    Размер файла: 76 kB Загрузок: 11