Глава 4. § 58. Радиоактивные превращения атомных ядер. Закон радиоактивного распада — с. 284
§ 58. Вопрос 1. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- и β-распада?
Приведите примеры.
При α- и β-распаде один химический элемент превращается в другой. Пример α-распада: радий превращается в радон, ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Пример β-распада: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e (углерод превращается в азот).
§ 58. Вопрос 2. Какая часть атома — ядро или электронная оболочка — претерпевает изменения при радиоактивном распаде?
Почему вы так думаете?
Изменяется ядро атома. Если бы менялась только электронная оболочка (потеря или присоединение электронов), атом превращался бы в ион того же элемента, а не в атом другого элемента с иными физическими и химическими свойствами. При радиоактивном распаде же происходит превращение одного элемента в другой, значит, меняется заряд ядра.
§ 58. Вопрос 3. Чему равно массовое число; зарядовое число?
Массовое число ядра равно (с точностью до целых чисел) числу атомных единиц массы, содержащихся в массе ядра. Зарядовое число равно числу элементарных электрических зарядов в заряде ядра, то есть заряду ядра, выраженному в элементарных зарядах (атомному номеру). Оба числа целые, положительные и безразмерные.
§ 58. Вопрос 4. На примере реакции α-распада радия объясните законы сохранения электрического заряда и массового числа.
Реакция: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Сумма массовых чисел продуктов равна массовому числу распадающегося ядра: 222 + 4 = 226. Сумма зарядовых чисел (зарядов) продуктов равна заряду исходного ядра: 86 + 2 = 88. Значит, в ходе распада массовое число и электрический заряд сохраняются.
§ 58. Вопрос 5. Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?
Резерфорд и Содди обнаружили, что при α-распаде радий превращается в радон. Отсюда следовало, что ядра атомов имеют сложный состав, то есть состоят из каких-то частиц, а радиоактивность — это способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
§ 58. Вопрос 6. Что такое радиоактивность?
Радиоактивность — это способность атомных ядер некоторых химических элементов самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц (α-, β-частиц, γ-квантов).
§ 58. Вопрос 7. Что называют периодом полураспада?
Что характеризует эта физическая величина?
Период полураспада T — промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Эта величина характеризует скорость радиоактивного распада: чем больше T, тем медленнее убывает число ядер и тем дольше вещество «живёт» и излучает.
§ 58. Вопрос 8. В чём состоит закон радиоактивного распада?
Число N ещё не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем по закону N = N₀/2ⁿ = N₀/2^(t/T), где N₀ — число ядер в начальный момент, t — время, T — период полураспада, n = t/T — число периодов полураспада. Через каждый период полураспада число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое.
§ 58. Упражнение 46.
1. Определите массу (в а. е. м. с точностью до целых чисел) и заряд (в элементарных электрических зарядах) ядер атомов следующих химических элементов: углерода ¹²₆C; лития ⁶₃Li; кальция ⁴⁰₂₀Ca.
Верхнее число в обозначении — массовое число (масса ядра в а. е. м.), нижнее — зарядовое число (заряд ядра в элементарных зарядах).
Углерод ¹²₆C: масса 12 а. е. м., заряд 6 элементарных зарядов.
Литий ⁶₃Li: масса 6 а. е. м., заряд 3 элементарных заряда.
Кальций ⁴⁰₂₀Ca: масса 40 а. е. м., заряд 20 элементарных зарядов.
Углерод ¹²₆C: масса 12 а. е. м., заряд 6 элементарных зарядов.
Литий ⁶₃Li: масса 6 а. е. м., заряд 3 элементарных заряда.
Кальций ⁴⁰₂₀Ca: масса 40 а. е. м., заряд 20 элементарных зарядов.
§ 58. Упражнение 46.
2. Сколько электронов содержится в атомах каждого из химических элементов, перечисленных в предыдущей задаче?
Атом электрически нейтрален, поэтому число электронов равно заряду ядра в элементарных зарядах, то есть зарядовому числу.
Углерод ¹²₆C: 6 электронов.
Литий ⁶₃Li: 3 электрона.
Кальций ⁴⁰₂₀Ca: 20 электронов.
Углерод ¹²₆C: 6 электронов.
Литий ⁶₃Li: 3 электрона.
Кальций ⁴⁰₂₀Ca: 20 электронов.
§ 58. Упражнение 46.
3. Определите (с точностью до целых чисел), во сколько раз масса ядра атома лития ⁶₃Li больше массы ядра атома водорода ¹₁H.
Масса ядра лития ⁶₃Li равна 6 а. е. м., масса ядра водорода ¹₁H равна 1 а. е. м.
Отношение: 6 : 1 = 6.
Ответ: в 6 раз.
Отношение: 6 : 1 = 6.
Ответ: в 6 раз.
§ 58. Упражнение 46.
4. Для атома бериллия ⁹₄Be определите: а) массу ядра в а. е. м. (с точностью до целых чисел); б) заряд ядра в элементарных электрических зарядах; в) число электронов в атоме.
а) Масса ядра равна массовому числу: 9 а. е. м.
б) Заряд ядра равен зарядовому числу: 4 элементарных заряда.
в) Атом нейтрален, поэтому число электронов равно заряду ядра: 4 электрона.
б) Заряд ядра равен зарядовому числу: 4 элементарных заряда.
в) Атом нейтрален, поэтому число электронов равно заряду ядра: 4 электрона.
§ 58. Упражнение 46.
5. Пользуясь законами сохранения массового числа и электрического заряда, определите массовое число и заряд ядра химического элемента X, образующегося в результате следующей реакции β-распада:
¹⁴₆C → X + ⁰₋₁e,
где ⁰₋₁e — β-частица (электрон).
Найдите этот элемент в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Как его называют?
¹⁴₆C → X + ⁰₋₁e,
где ⁰₋₁e — β-частица (электрон).
Найдите этот элемент в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Как его называют?
Пусть ядро X имеет массовое число A и зарядовое число Z.
Сохранение массового числа: 14 = A + 0, откуда A = 14.
Сохранение заряда: 6 = Z + (−1), откуда Z = 7.
Ядро с зарядовым числом 7 принадлежит элементу № 7 Периодической системы — азоту. Реакция: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.
Ответ: массовое число 14, заряд ядра 7 элементарных зарядов; это азот ¹⁴₇N.
Сохранение массового числа: 14 = A + 0, откуда A = 14.
Сохранение заряда: 6 = Z + (−1), откуда Z = 7.
Ядро с зарядовым числом 7 принадлежит элементу № 7 Периодической системы — азоту. Реакция: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.
Ответ: массовое число 14, заряд ядра 7 элементарных зарядов; это азот ¹⁴₇N.