Открытие явления радиоактивности и квантовая теория

    Оглавление 

    Введение            3

    1. Радиоактивность                                                                                4

    1.1. История открытия явления радиоактивности                              4

    1.2. Виды радиоактивных превращений  атомных ядер                     6

    1.3. Свойства радиоактивных излучений                                            8

    2. Квантовая теория                                                                              11

    2.1. История развития квантовой механики                                       11

    2.2. Особенности квантовой теории                                                    15

    Заключение            17

    Список  использованной литературы      18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Изучение  радиоактивности имеет большое значение для исследования структуры и свойств веществ. Лишь после открытия радиоактивности стало возможным превращение одних хим. элементов в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле. Изучение радиоактивности значительно расширило перспективы энергетики, привело к созданию ядерной энергетики, ядерного оружия. Радиоактивность нашла применение в с. х-ве, медицине и т.д. Вместе с тем перед человечеством возник целый ряд новых сложных проблем, связанных с предотвращением вредного воздействия излучения на живые организмы. Открытие радиоактивности привело к рождению новой физики, позволившей понять структуру атома и атомного ядра, и послужило воротами в странный и гармоничный квантовый мир элементарных частиц.

    Поскольку квантовомеханическое описание является на данный момент наиболее полным из всех других известных описаний физической реальности, выводы, полученные на его основе, имеют фундаментальное значение и формируют современную концепцию естествознания в целом.

    Цель  работы:

    1) Изучить историю открытия явления радиоактивности и квантовой теории.

    Задачи:

1. Рассмотреть понятие радиоактивности, изучить основные виды радиоактивных превращений и свойства радиоактивных излучений ядер атомов;
2. Выявить особенности квантовой теории

    1. Радиоактивность

    1.2 История открытия явления радиоактивности

    Французский физик А.А. Беккерель (1852–1908) 1 марта 1896г. обнаружил почернение фотопластинки  под действием невидимых лучей  сильной проникающей способности, испускаемых солью урана. Вскоре он выяснил, что способностью лучеиспускания обладает сам уран. Радиоактивность (такое название получило открытое явление) оказалась привилегией самых тяжелых элементов таблицы Менделеева. Это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного элемента в изотоп другого, при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (альфа-частиц). Было установлено, что радиоактивность – весьма распространенное явление.

    Атомные ядра, которые отличаются числом нейтронов  и протонов, имеют общее название – нуклиды. Из 1500 известных нуклидов только 265 – стабильные. Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т. е. расположенные в периодической системе после висмута. У них вообще нет стабильных изотопов (изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в составе ядра). Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов и других элементов. Природные радиоактивные изотопы подвержены распаду, сопровождающемуся испусканием альфа- или бета-частиц (очень редко обоих видов).

    В 1940 г. советские ученые Г.Н. Флеров и  К.А. Петржак обнаружили новый вид  радиоактивных превращений –  спонтанное деление ядер. Испускание гамма-лучей не приводит к превращениям элементов и потому не считается видом радиоактивных превращений. Таким образом, число способов радиоактивного распада природных изотопов весьма ограниченно.

    Тем не менее ныне известны и другие способы. Они были открыты или  предсказаны после того, как в 1934г. французские физики, супруги Ирен (1897– 1956) и Фредерик (1900–1958) Жолио-Кюри, наблюдали явление искусственной радиоактивности. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа-частицами или нейтронами) образуются не существующие в природе радиоактивные изотопы. И. и Ф. Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Данный вид превращений называют бета-плюс распадом, подразумевая под бета-минус испускание электрона. В ходе бета-плюс распада заряд ядра уменьшается на 1. Такое же его изменение происходит при так называемом орбитальном захвате: некоторые ядра могут захватывать электрон с ближайших оболочек. Это тоже вид радиоактивных превращений. Принято бета-плюс, бета-минус распады и эпсилон-захват объединять под общим названием бета-распада. Физики-теоретики предсказали возможность двойного бета-превращения, при котором одновременно испускаются два электрона или два позитрона. На практике такое превращение пока не обнаружено. Наблюдалась также протонная и двухпротонная радиоактивность. Всем этим видам превращений подвержены только искусственные изотопы, не встречающиеся в природе.

    Радиоактивность характеризуется не только видом  испускаемых частиц, но и их энергией, которая может в миллионы раз превосходить энергию химических процессов. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Время жизни ядра – случайная величина. На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами –давлением, температурой и др. Спонтанный характер распада – одна из наиболее важных его особенностей.

    Хотя  все ядра живут разное время от момента образования до момента  распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное среднее время жизни ядер. Скорость распада подчиняется закону радиоактивного распада, выраженному формулой:

    N t = N0e-λt,

    где λ – постоянная радиоактивного распада, N t – число нераспавшихся ядер в момент времени t; N0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент t=0). [Карпеников]

    1.2 Виды радиоактивных превращений  атомных ядер

    Альфа-распад. При α-распаде радиоактивное ядро излучает быстродвижущееся ядро атома гелия, называемое иначе α-частицей. Заряд α-частицы равен двум элементарным зарядам, а массовое число равно четырем. Поэтому излучение α-частицы приводит к уменьшению массового числа ядра на 4 единицы, а заряда ядра ─ на 2 единицы. Следовательно, в результате излучения α-частицы исходное ядро превращается в ядро элемента, у которого порядковый номер на 2, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного. Например, излучая α-частицу, уран превращается в изотоп тория, а полоний в изотоп свинца.

    Бета-минус-распад (или электронный  распад). Установлено, что свободный нейтрон с течением времени превращается в протон и две легкие частицы ─ электрон и антинейтрино. Нейтрино (антинейтрино) не обладает электрическим зарядом и крайне слабо взаимодействует с веществом, поэтому нейтрино (антинейтрино) в обычных условиях опыта себя никак не проявляет и на последующих рисунках не представлено.

    В некоторых радиоактивных ядрах  аналогичный процесс может происходить  с одним из нейтронов ядра. При  этом образующийся протон остается в  ядре, а электрон и нейтрино вылетают из него. В результате такого процесса массовое число ядра остается без изменения, а его заряд увеличивается на единицу. Следовательно, ядро исходного элемента превращается в ядро, у которого порядковый номер на единицу больше, чем у исходного. Таким образом, продуктом превращения будет элемент, стоящий на одну клетку дальше от начала таблицы Менделеева. Электрон, вылетающий из исходного ядра, носит название β¯-частицы.

    Бета-плюс-распад (или позитронный  распад). Механизм позитронного распада следующий: один из протонов атомного ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается внутри ядра, а позитрон и нейтрино вылетают из него. Позитрон—это элементарная частица, по свойствам подобная электрону, но отличающаяся от него знаком электрического заряда: позитрон заряжен положительно. В результате β+-превращения массовое число ядра остается без изменения, а его заряд уменьшается на единицу. Поэтому ядро исходного элемента превращается в ядро с порядковым номером, на единицу меньшим. Следовательно, продуктом превращения будет элемент, стоящий на одну клетку ближе к началу таблицы Менделеева.

    Электронный или К-захват. В известном смысле этот процесс противоположен β¯-распаду. При электронном захвате атомное ядро захватывает один из электронов с внутренних электронных оболочек атома и испускает нейтрино. Чаще всего электрон захватывается из ближайшей к ядру К-оболочки (рис. 1.4). Поэтому данный процесс называется обычно К-захватом. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон. Поэтому порядковый номер ядра, так же как и в случае β+-распада, уменьшается на единицу, а массовое число ядра остается неизменным. Следовательно, продуктом этого типа превращения является ядро элемента, находящегося на одну клетку ближе к началу таблицы Менделеева, чем исходный элемент. На место захваченного ядром электрона через весьма короткое время перейдет один из электронов, находящийся на более удаленной оболочке. Этот процесс сопровождается излучением характеристических рентгеновских лучей.

    Продуктами  радиоактивных превращений могут быть либо стабильные изотопы, либо радиоактивные. В последнем случае процесс превращения продолжается до тех пор, пока продуктом распада не окажется стабильный изотоп.

    У ядер некоторых изотопов радиоактивное  превращение может происходить как путем испускания α-частиц, так и путем электронного захвата.

    Многие  изотопы испытывают одновременно β+ распад и К-захват. В этом случае оба типа распада приводят к одному и тому же конечному ядру, например, мышьяк превращается в германий.

    Гамма-излучение. Радиоактивные превращения многих изотопов сопровождаются испусканием жесткого электромагнитного излучения. Это — так называемые γ-лучи, которые по своим физическим свойствам не отличаются от жестких рентгеновских лучей.

    Гамма-излучение  возникает тогда, когда ядра — продукты радиоактивного превращения оказываются сначала в состоянии с избыточной энергией, а затем переходят в нормальное невозбужденное состояние. Как было сказано, γ-излучение испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях.

    Следует подчеркнуть, что гамма-излучение  не является самостоятельным типом  радиоактивности. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Установлено, что γ-лучи испускаются дочерним ядром, которое в момент образования оказывается возбужденным. Снятие энергии возбуждения ядра происходит за время 10-12÷10-13с, что значительно меньше времени жизни возбужденного атома ~10-8с.

    1.3 Свойства радиоактивных излучений

    Альфа-излучение. Альфа-излучение — это поток α-частиц, т. е. ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов с большой кинетической энергией — несколько миллионов электрон-вольт, что соответствует значениям скорости 10⁹см/сек (напомним для сравнения, что скорость света в вакууме равна 3·10¹⁰см/сек). Движущиеся α-частицы можно отклонить сильными электрическим и магнитным полями. α-частицы способны проникать через тонкие слои вещества. Проходя через вещество, α-частицы претерпевают множество соударений с атомами. Часть соударений приводит к возбуждению атомов, т. е. к переводу электронов на орбиту с большим значением энергии. Возбужденные атомы спустя весьма короткое время возвращаются в нормальное состояние с испусканием света. Взаимодействие α-частиц с электронной оболочкой атомов может вызвать отрыв электронов от атомов, т. е. их ионизацию.

    В результате этих процессов α -частица  теряет свою энергию и замедляется. Хотя в каждом акте соударения α-частица расходует лишь небольшую долю своей начальной энергии, однако из-за чрезвычайно большого числа актов соударения на единице пути она быстро замедляется, пробегая до своей полной остановки сравнительно короткий путь. Длина пробега α-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров. Число ионов, создаваемых α-частицей на единице пути (т.н. плотность ионизации) в воздухе, очень велико— несколько десятков тысяч на сантиметр.

    Бета-излучение. Бета-излучение представляет поток электронов, движущиеся с весьма большой скоростью, приближающейся к скорости света.