• Название:

    Работа №2 КСЕ Определение постоянной радиоактив...

  • Размер: 0.06 Мб
  • Формат: DOC
  • или



Лабораторная работа № 2

Определение постоянной радиоактивного распада нестабильных изотопов.

1.Атомистические концепции строения материи.

Впервые понятия об атоме как последней и неделимой частице, а также понятие пустоты возникли в античной древней Греции в рамках натурфилософского учения и высказанные философом Левкиппом (500 – 440 до н. э.).
Атомистические представления Левкиппа были дополнены и развиты другим древнегреческим философом Демокритом (460 - 370 до н. э.) и согласно гипотезе Демокрита:
1. В абсолютной пустоте существует бесконечное число атомов.
2. Атомы имеют разнообразную форму.
3. Они движутся беспорядочно в пустоте, сталкиваются и отскакивают друг от друга.
4. Атомы могут сцепляться друг с другом в разных положениях и сочетаниях, т. е. образовывают вещество с разным качеством.
Последователь школы натурфилософского учения философ Эпикур (340 – 270 до н. э.) наделил атомы свойством тяжести.
Эпикур считал что атомы вечные, а вещи образованные ими гибнут.
Следовательно, после гибели вещей атомы могут снова образовывать новые вещи.
Такое развитие взглядов и конкретизация свойств атомов позволили расширить представления о строении Земли, звезд и космических миров, состоящих из атомов. Современное человечество не перестает удивляться гениальности и точности предсказаний древнегреческих философов, многие из которых были доказаны спустя тысячелетия и основные мысли о строении материи стали основой атомистической концепции.
На основании существующей атомистической концепции физики и химики в конце 19 века и в начале 20 предприняли попытки модельного представления атома, и самой удачной оказалась планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911 г.) и затем усовершенствованная в 1913 г.
Н. Бором. В настоящее время эта модель принята за основную и другой модели атома никто предложить не смог, но ученные не могли объяснить почему электроны не падают на ядро, что служило предметом многочисленных споров в науке.
Нильс Бор предложил два постулата, которые разрешали противоречия в модели самого простейшего атома, состоящего из одного электрона:
1. Среди множества орбит в атоме существуют такие, находясь на которых электроны при своем движении не излучают и не поглощают энергии.
Такие орбиты назвали стационарными.
С точки зрения классической физики такого быть не может, но возможно, что представления классической физики не всегда можно переносить в мир частиц.
2. При переходе между стационарными орбитами электрон излучает или поглощает квант энергии.
Свойства многоэлектронных атомов удалось установить после возникновения квантовой механики.
Древнегреческие философы все же ошибались в некоторых атомистических концепциях, в частности, атомы оказались более сложные по своему структурному строению и время жизни некоторых атомов оказалось не бесконечным.
В 1923 была поставлена последняя точка в определении состава атома.
В этом году английский физик Дж.
Чедвик открыл частицу нейтрон, входящую в состав атома.. Теперь модель атома можно представить как совокупность электронов - отрицательно заряженных частиц, вращающихся по орбитам вокруг ядра.
Ядро состоит из нейтронов и протонов.
Протоны - положительно заряженные частицы, а нейтрон не имеет заряда.
Вся масса атома сосредоточена в ядре т. к. один протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, а массы протона и нейтрона почти одинаковы.
Что касается времени жизни атомов, то по мере изучения различных элементов, представленных в таблице Менделеева, оказалось что существуют ядра разных атомов живущие от 108 – 10 9 лет до нескольких долей секунды.
В настоящее время современной науке уже известны свойства и параметры более 115 атомов, хотя, в таблице Менделеева, пока мы можем видеть 104 элемента, достаточно хорошо изученных, а свойства остальных элементов уточняются.
Обратите внимание на то, что атомные веса всех элементов не целые числа.
Почему? Ведь в быту мы всегда говорим или имеем в виду, что атомный вес, например, атома водорода равен единице, или гелия – четырем.
Уже в начале двадцатого века ученным стало известно, что ядро любого атома состоит из изотопов: т.е. ядер у которых заряд одинаковый, а масса разная.
Более того, процентное содержание разных изотопов в ядре разное.
Поэтому и атомные массы всех элементов не целые числа.
Например, рассмотрим атом водорода.
В таблице Менделеева он находится на первом месте и атом водорода, как и любой атом из таблицы схематично изображают так:
заряд атома- 1 H1.00797 – масса атома (ядра)
На самом деле в состав ядра водорода входят три изотопа 1 Н1 – протий, 1 Н2 – дейтерия и 1 Н 3 - тритий. Первые два изотопа – стабильные и входят в состав атома в следующем процентном содержании 99.9885% :

0.0115% . Тритий – нестабильный (радиоактивен) с периодом полураспада 12.32 лет.
Второй пример – ядро кислорода.
Оно состоит из трех устойчивых изотопов: 8 О16 , 8 О17 и 8 О18 в процентном содержании 99.759% :

0.037% :

0.204% соответственно.
Однако, в ядре присутствуют и нестабильные изотопы: 8 О11, 8 О13 , 8 О14 , 8 О15 , 8 О19 и 8 О20 . Такой сложный состав обуславливает его конечную атомную массу. Перечисленные нестабильные изотопы имеют период полураспада от 21с до 150 лет.
Периодом полураспада Т называется время, в течении которого распадается половина всех ядер.
Значение периода полураспада для разных элементов очень разное и может изменяться от долей секунды до миллионов лет.
Некоторые интересные данные представлены в таблице.

элемент
период полураспада T

Торий - 234
24.1 сутки

Протакиний - 234
1.17 минут

уран - 234
245000 лет

торий - 230
8000 лет

полоний - 214
0.000164 секунды

свинец - 210
22.3 лет

свинец - 214
26.8 секунд Физики и химики, исследуя свойства ядер обнаружили что, нестабильные изотопы, самопроизвольно распадаясь, превращаются в совершенно другие ядра.
Например, ядро урана может превратиться в ядро плутония.
Этот процесс самопроизвольного распада называется явлением естественной радиоактивности, и он сопровождается вылетом из ядра атома α – альфа частиц т.е. ядер атомов гелия 2 He4 , β – бета частиц, потока электронов -1e0 и γ – гамма лучей , электромагнитных волны.
Радиоактивный распад происходит по определенному закону – экспоненциальный закон:
( 1 )
где N – число не распавшихся ядер к моменту времени t. N0 – число ядер в момент времени t = 0 (начало распада). λ – постоянная радиоактивного распада, индивидуальная для каждого вещества.
Определим постоянную радиоактивного распада, учитывая, что t = T и за это время распадается половина ядер: N = 0.5 N0. Подставив эти значения в закон радиоактивного распада ( 1 ) и решая уравнение относительно λ получим:
( 2 )
Закон радиоактивного распада (1) можно представит в более простом виде, если прологарифмировать выражение:


натуральным логарифмом в основании которого число e:
или (3)
Полученное представление закона радиоактивного распада является линейной зависимостью от времен t, а величина λ – характеризует угол наклона прямой к оси t.
Такую зависимость анализировать гораздо легче и проще, чем экспоненциальную.

2. Порядок выполнения работы.

Радиоактивность – опасна для здоровья и жизни всего живого на Земле.
Мы живем в постоянном радиоактивном фоне, который обусловлен бомбардировкой земного шара космическими лучами и фоном, созданным содержанием радиоактивных изотопов, входящих в состав земной коры.
Если бы не атмосфера Земли с её магнитным полем, навряд ли разумная жизнь могла бы существовать.
Однако, этот естественный фон не очень интенсивен и не губительный для жизни.
Ситуация может измениться, если повысится концентрация радиоактивных изотопов в одном месте и фон значительно увеличивается по интенсивности.
Атомные станции или другие атомные реакторы, как раз, содержат большие концентрации радиоактивных веществ и для безопасности они должны иметь надежную защиту, поглощающую излучение.
Явление естественной радиоактивности можно смоделировать на компьютере и определить его параметры.

Цель работы.

Определение постоянной радиоактивного распада и числа не распавшихся ядер.
Расчет погрешности проводить по правилам обработки результатов косвенного однократного измерения.
Порядок выполнения работы.

Вызовите программу Определение постоянной радиоактивного распада, щелкнув клавишей мышки на соответствующем значке на рабочем столе компьютера.
На экране монитора появится атомное ядро, претерпевающее естественный радиоактивный распад.
Распад сопровождается вылетом (- частиц (электронов) , α - альфа частиц (двукратно ионизированных атомов гелия ) и электромагнитного ( - излучения. После того как частицы удалятся за пределы экрана, появляется график линейной зависимости (3).
Обратите внимание на то, что при t = 0 число не распавшихся ядер N = N0 , а через некоторое время число не распавшихся ядер уменьшается в 2 раза.
Этот момент отмечен на графике пунктирными линиями и соответствует времени периоду полураспада Т.

1. Определите цену деления шкалы времени для Вашего нестабильного изотопа. Компьютер формирует значение времени случайным образом и шкала времени никогда не повторяется для остальных студентов.

2. Определите период полураспада Т изотопа в единицах шкалы времени по графику и запишите его значение в таблицу измерений.

3. По формуле ( 3 ) рассчитайте постоянную радиоактивного распада ( и запишите её в таблицу измерений.

4. Получите задание у преподавателя: в какой момент времени t Вам надо определить количество не распавшихся атомов изотопа и запишите это время в таблицу измерений.

5. По формуле ( 1 ) – закону радиоактивного распада, рассчитайте число не распавшихся атомов N, считая, что в начальный момент времени у Вас был один моль вещества и число атомов в нем N0 = 6.02*1023 моль-1.

6. Выведите формулу погрешности ΔN считая, что это косвенное измерение и время t является однократно измеряемой величиной, определяемое по шкале графика и имеет погрешность Δt равную цене деления шкалы.

7. Рассчитайте значения N и ΔN.

8. Запишите результат работы в виде:
N = ( N ( ΔN ) моль-1 для t =

ВНИМАНИЕ! Размерность t и Т обозначена на шкале графика и не забудьте ее записать в таблицу.

Таблица измерений Т

(
t
задание

N моль-1

Контрольные вопросы

1. В чем заключается суть развития атомистической концепции строения материи, возникшей в древней Греции?
2. Поясните строение атома.
2. Сформулируйте постулаты Бора и объясните зачем они нужны?
3. Дайте определение изотопа и объясните понятие массы ядра.
4. В чем заключается явление естественной радиоактивности? Авторы программы и описания
доцент каф. физики С. П. Майбуров,
доцент каф. физики Н. В. Платонова,
доцент каф. физики И. Г. Румынская. 2009 г.