Физика в быту

Радиоактивность – процесс самопроизвольный, вероятностный. Для каждого конкретного ядра вероятность распасться в следующую секунду одна и та же, независимо от того, сколько уже существует это ядро – секунду или миллион лет. Грубо говоря, атомы не стареют, хотя и распадаются иногда. Если в некоторый момент имеется N радиоактивных атомов данного сорта, то число распадов в секунду будет пропорционально этому числу N, а коэффициент пропорциональности – это вероятность распада, постоянное число.

Со временем число исходных (материнских) ядер будет убывать по определённому закону. А именно: за равные промежутки времени количество материнских ядер уменьшается в одно и то же число раз. В качестве характеристики процесса обычно берут период полураспада Т – время, за которое число материнских ядер уменьшается вдвое. Прошло время Т – осталась половина исходных ядер, через время 2Т осталась половина от половины, то есть четверть ядер, через 3Т осталась половина от четверти, то есть ⅛ доля ядер… Математически это соответствует экспоненте.

Кстати, точно такому же временнóму закону подчиняются все процессы, при которых изменение величины за единицу времени пропорционально самой имеющейся величине. Например, число ежегодных смертей на Земле пропорционально числу жителей, и если бы не было прироста населения, число жителей уменьшалось бы, как при радиоактивном распаде, с каким-то периодом полураспада. А число родившихся по такому же закону возрастает, но со своим «периодом полувозрастания». Если эти периоды равны, численность населения стабильна. Последние столетия рождаемость доминирует над смертностью, и на Земле происходит демографический взрыв.

Состав ядра. Изотопы

Ядра атомов состоят из довольно тяжёлых частиц: положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Эти две частицы называют одним словом – нуклоны. Они несут в себе практически всю массу атома, лёгкие электроны почти ничего к ней не добавляют. Именно число протонов в ядре отличает один химический элемент от другого. Почему так? Химические свойства атомов зависят от числа электронов на последней, валентной оболочке атома, а это число определяется полным количеством электронов в атоме, ведь они распределяются по оболочкам строго определённым образом. Ну а полное число электронов в атоме равно числу протонов, так как атом в целом не заряжен.

Итак, число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева: один протон – водород, 2 протона – гелий, 3 протона – литий… 92 протона – уран.

До 1940 года таблица Менделеева заканчивалась на уране, 92-м элементе. Все элементы, начиная с 84-го, радиоактивны с большими периодами полураспада. Открытые позже трансурановые элементы с номерами 93–104 распадаются довольно быстро, так что за 4,5 миллиарда лет существования Земли они уже исчезли. Их научились синтезировать искусственно. Сейчас в таблице Менделеева представлены 104 элемента, а всего удалось синтезировать элементы до номера 118.

А вот число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может немного варьироваться. На химических свойствах элемента это никак не отражается, только на массе. Атомы с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов, называют изотопами. Одни изотопы одного и того же химического элемента могут быть стабильны, а другие радиоактивны. Практически все элементы в природе встречаются в виде смеси изотопов в определённых пропорциях. Например, у водорода три изотопа. У обычного водорода (протия) ядро состоит только из протона, у тяжёлого водорода (дейтерия) ядро содержит протон и нейтрон. В ядре сверхтяжёлого водорода (трития) один протон и два нейтрона, этот изотоп радиоактивен. В природном водороде доля лёгкого водорода составляет 99,985 %, дейтерия – 0,015 %, трития практически нет. У гелия два стабильных изотопа: гелий-4 (два протона и два нейтрона) и гелий-3 (два протона и один нейтрон). Чемпион по количеству стабильных изотопов – олово: 10 изотопов.

Изотопы невозможно разделить химическими методами – только физическими, по массе. И это очень трудоёмкий процесс, буквально «поштучный».

Всего на сегодняшний день известно около 270 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов.

Радиоактивные семейства