Март 18th, 2009 by admin Posted in Период полураспада
Выше я давал процессу распада радиоактивных элементов
характеристики типа «быстро» и «медленно», но не приводил
никаких конкретных чисел.
Первыми продолжительность распада попытались вычислить
Резерфорд и Содди в 1902 году. Они проследили изменение интенсивности
излучения быстрораспадающегося радиоактивного
изотопа и определили, что со временем интенсивность падает по
экспоненте.
Это верно только в том случае, если за определенное количество
времени распадается определенное количество атомов.
Скажем, если скорость распада 0,02 всех атомов в секунду, то
в первую секунду из 1 ООО ООО ООО ООО атомов радиоактивного
вещества распадется 20 ООО ООО ООО атомов. Конечно же мы не
можем сказать, какие именно атомы распадутся. Мы не можем
определить, распадется отдельно взятый атом в первую секунду,
или через 5 секунд, или через 5 лет.
Приведу пример аналогичной ситуации из жизни. После
тщательного изучения статистических данных страховые компании
могут дать довольно точный прогноз, сколько человек из
каждого миллиона американцев в возрасте 35 лет умрет в следующем
году, если, конечно, считать этот год «нормальным».
Компании не могут выявить конкретных американцев, которым
грозит смерть, или предсказать конкретный год смерти конкретного
американца. Они могут делать лишь общие прогнозы
для большого количества абстрактных людей. Страховые компании
работают с людьми, а физики — с атомами, и прогнозы
последних, как правило, гораздо более точные.
Скорость радиоактивного распада не меняется с течением времени.
Предположим, что каждый год умирает одно и то же количество
человек. Предположим, что в течение года из 1 ООО ООО американцев
в возрасте 35 лет умрет 0,2%, то есть 2000 человек. К
концу года останется 998 000 человек. В следующем году умрет
еще 0,2% от оставшихся, то есть 1996 человек. В следующем году
умрет еще 0,2% от 996 004, останется 994 012 человек и т. д.
Таким образом, каждый год с уменьшением количества живущих
будет уменьшаться и количество смертей. Невозможно пред-
сказать конкретно, через сколько лет умрет последний человек,
так как в любой произвольно взятый год умрет только небольшой
процент людей. Понятно, что такой анализ дает приемлемые результаты
только в том случае, если количество живых людей остается
достаточно большим. Тем не менее если количество людей
изначально было огромным, то согласно статистике некоторые из
них проживут сотни и тысячи лет.
В действительности этого не происходит, потому что, когда
человек стареет, постепенно возрастает вероятность его смерти,
и вероятность смерти старых людей очень высока. Поэтому
все 35-летние люди умрут менее через сто лет, независимо от
их изначального количества.
Март 15th, 2009 by admin Posted in ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Ученые не ожидали открыть более долгоживущий изотоп
углерода. Однако в 1940 году в результате бомбардировки атомов
углерода дейтронами (ядрами дейтерия, Н2) был открыт
новый радиоизотоп углерода.
Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, и
во время бомбардировки дейтронами атомы углерода отдают
протоны, удерживая нейтроны. В результате такой (d, р)-реак-
ции атомное число не изменяется, но массовое число увеличивается
на единицу. Углерод состоит из двух стабильных изотопов
— углерода-12 и углерода-13. Углерод-12 в результате
реакции превращается в углерод-13, а вот с углеродом-14 происходит
следующее:
6С13 + ,Н2 -> 6С14 + ,Н’ (Уравнение 10.3)
С13(</, р)С”.
Углерод-14 является радиоактивным изотопом с неожиданно
длинным периодом полураспада — более 5770 лет. А учитывая
сравнительно небольшую продолжительность любого лабораторного
эксперимента, его радиоактивность можно считать
постоянной. Меченные углеродом-14 химические соединения
можно использовать в огромном количестве биологических и
биохимических экспериментов, и углерод-14, несомненно, является
самым пригодным для этих целей радиоизотопом.
В 1946 году американский химик Уиллард Либби (1908—1980)
предположил, что углерод-14 должен существовать в природе как
результат реакции в присутствующем в атмосфере азоте-14, косвенно
вызванной космическими излучениями высокой энергии1.
Реакция, по сути, является присоединением нейтрона и потерей
протона. В результате такой (п, р)-реакции уменьшается лишь
атомное число, массовое число остается неизменным. Таким образом:
7М’4 + цл’ -» 6С14 + ,Н’ (Уравнение 10.4)
или
Nl4(«, р)С”.
Углерод-14 образуется постоянно и после образования разрушается.
Между этими двумя процессами существует определенный
баланс, и концентрация углерода-14 в атмосфере (углерод-14
входит в состав углекислого газа) постоянна, хотя и очень мала.
Позже Либби предположил, что, так как растения постоянно
поглощают и используют углекислый газ, в их тканях должен
содержаться углерод-14 постоянно, хотя и в очень малой
концентрации. Углерод-14 должен содержаться и в тканях животных,
так как животные питаются растениями (или травоядными
животными).
Однако постоянство концентрации поддерживается, только
пока ткань жива, так как только в этом случае ткани непрерывно
впитывают радиоактивный углерод (путем поглощения атмосферного
углекислого газа или переваривания пищи). Как
только организм погибает, поглощение углерода-14 прекращается,
а уже имеющееся его количество начинает равномерно
уменьшаться.
1 Эти излучения называются космическими лучами. Мы рассмотрим их
ниже.
Март 13th, 2009 by iw Posted in Строении Вселенной
Постичь строение атомов и их необычные свойства человек смог, лишь построив чрезвычайно сложные и тонкие приборы, а для этого необходим был достаточно высокий уровень технического развития общества. Микроскоп, зрительная труба (телескоп) электрический двигатель, датчики, регистрирующие невидимые УФ- и ИК-излучения, ускорители частиц, оптический и масс-спектрометры, электронный микроскоп, источники рентгеновского излучения, разнообразные детекторы элементарных частиц и бесчисленный ряд других приборов — все эти устройства были сконструированы только в последние несколько веков, а большинство из них — лишь в нашем столетии.
Познание структуры атомов химических элементов и атомных ядер, состоящих, как выяснилось, из элементарных частиц, и открытие законов взаимодействия этих частиц не только нашло широкое и разнообразное практическое применение. Современная физика не просто открыла множество новых явлений, частиц и закономерностей — она выявила многочисленные, подчас неожиданные связи между различными явлениями, установив их единую, общую основу. Благодаря этому сформировались новые представления о строении Вселенной в целом. Вот почему сегодня, как никогда прежде, представляется важным познакомить с их основами широкие круги неспециалистов. Именно этой цели и служит настоящая книга.
Март 13th, 2009 by iw Posted in Атом электрического заряда
Между двумя горизонтальными металлическими пластинами распыляют, допустим
с помощью обычного пульверизатор немного масла. Образовав разреженный
масляный туман, состоящий из мельчайших капель масла медленно оседает на нижней пластине. При этом проходя через сопло пульверизатора, большинство капелек вследствие трения приобретает электрический заряд. Если теперь создать между пластинами постоянное электрическое поле, направленное вниз; то капельки с положительным зарядом ускорят свое движение вниз, а отрицательно заряженные капельки, наоборот; замедлят движение вниз или даже начнут перемещаться вверх. Невооруженным глазом, отдельные капельки масла едва различимы, но при сильном боковом освещении их легко наблюдать в микроскоп на темном фоне. Осторожно регулируя электрическое масла, прошедшую через отверстие в верхней пластине, в пространстве между металлическими пластинами действуют сила тяготения, направленная вниз, и электрическая сила, направленная вверх. Плавно регулируя напряжение между пластинами, можно добиться, чтобы капелька остановилась. В отсутствие трения это означает, что названные силы взаимно уравновешенны. Приравнивая их, мы можем из полученного уравнения вычислить заряд капельки
напряжение между пластинами, можно произвольно замедлить движение какой-либо капельки и удерживать ее в поле зрения микроскопа в течение нескольких минут.