Практическая работа № 6
РАДИОАКТИВНОСТЬ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ
Цель работы: ознакомиться с понятием радиация и радиоактивность, научиться рассчитывать период полураспада радиоактивных элементов
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем. В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности.

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся ядерным излучением.

Радиация — обобщённое понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается в природе, другие получаются искусственным путем. Прежде всего, следует различать корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, и электромагнитное излучение. Корпускулярное излучение может состоять как из заряженных, так и из нейтральных частиц.

Схема образования радиации различных типов приведена на рис. 6.1.

Альфа-излучение — представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образуются в ядерных реакциях.

Бета-излучение - это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых лёгких (нейтрон) до самых тяжёлых.

Космическое излучение. Приходит на Землю из космоса. В его состав входят преимущественно протоны и ядра гелия. Более тяжёлые элементы составляют менее 1%. Проникая вглубь атмосферы, космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).

Нейтроны. Образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и исследовательских установках, а также при ядерных взрывах). Продукты деления.

Протоны, ионы. В основном получаются на ускорителях.

Гамма-излучение и близкое к нему рентгеновское излучение. Ещё одна разновидность ионизирующей радиации, которая является родственной световому потоку, но с лучшей способностью к проникновению в окружающие предметы.

Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники:

---

гамма-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны и т. д.



Рис. 6.1. Схема образования радиации различных типов

До открытия радиоактивности многие физики считали, что возраст Земли составляет всего несколько десятков миллионов лет. Этот вопрос помогло решить и установить однозначно открытие радиоактивности.

Для радиоактивности характерно экспоненциальное уменьшение среднего числа активных ядер во времени. Причём для каждого радиоактивного элемента темп такого уменьшения - величина постоянная и не зависящая от внешних условий. Это свойство широко используется в геохронологии - науке, занимающейся определением последовательности событий в истории Земли, относительного и абсолютного возрастов горных пород.

Естественная радиоактивность

Горные породы и минералы содержат радиоактивные элементы. В результате самопроизвольного распада радионуклидов возникают новые изотопы: либо стабильные, либо радиоактивные. В конечном итоге в результате процесса распада возникает стабильный изотоп. Процесс самопроизвольного распада (Закон распада радиоактивных элементов) определяется выражением:

(1)
где N_t – количество не распавшихся атомов через промежуток времени t;

N₀ – первоначальное количество радиоактивного изотопа;

λ — постоянная распада, характеризующая изотоп и определяющая долю радиоактивных атомов, распавшихся за единицу времени (год, час, сек).

Помимо постоянной распада, общеупотребительной характеристикой является величина, называемая периодом полураспада (Т), - время, за которое распадается половина атомов первоначального вещества.

Период полураспада и постоянная распада связаны отношением:
(2)

Выражение (1) можно переписать в виде:

(3)
В природе существуют три семейства радиоактивных веществ: ряд урановых U, ряд тория Th, ряд актиния Ac.

В каждом ряду с течением времени атомы претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой стадии α- и β-частицы, с сопровождающими излучением или без него.

---

В каждом из рядов родоначальный изотоп (²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th) обладает периодом полураспада, сравнимым с возрастом Земли. Естественный радиоактивный фон порождается в основном излучением трёх вышеназванных рядов. Ниже на рис. 6.2 приведена схема распада ²³⁸U.




Рис. 6.2 — Схема распада ²³⁸U


Радиоактивные изотопы оказывают заметное влияние на тепловой баланс Земли. По некоторым оценкам, радиогенное тепло, выделяемое Землёй за год, составляет 10²¹ Дж.

Радиометрические способы определения абсолютного возраста Земли: рубидий-стронциевый (для возраста Земли и лунных пород и метеоритов), уран-свинцовый, торий-свинцовый, калий-аргоновый, (большая роль в осадочных породах позднего докембрия), самарий-ниодимовый (лучше всего для основных и ультраосновных пород, а также метаморфических), рений-осмиевый и др. В таблице 6.1 приводится содержание радиоактивных элементов в различных слоях Земли.

Таблица 6.1.

Содержание радиоактивных элементов в Земле

Элементы	Континентальная кора, масса 2,25×1025 г		Мантия Земли, масса 4,07×1027 г		Земля в целом, масса 5,98×1027 г
	содержание элементов, г	выделяемая энергия, эрг/с	содержание элементов, г	выделяемая энергия, эрг/с	содержание элементов, г	выделяемая энергия, эрг/с
238U	3,6410×19	0,341×1020	1,047×1019	0,098×1020	4,69×1019	0,439×1020
235U	0,026×1019	0,015×1020	0,0018×1019	0,004×1020	0,034×1019	0,02×1020
232Th	15,18×1019	0,408×1020	2,89×1019	0,078×1020	18,07×1019	0,486×1020
40K	5,24×1019	0,146×1020	5,62×1019	0,157×1020	10,86×1019	0,303×1020
K/U	1,23×104	—	4,6×104	—	1,98×104	—
K/Th	3×103	—	1,67×104	—	5,16×103	—
Th/U	4	—	2,74	—	3,83	—
EΣ	—	0,91×1020	—	0,337×1020	—	1,248×2020

---

Впервые определение абсолютного возраста горной породы радиометрическим способом выполнено Э. Резефордом в 1905 г. В СССР первые определения абсолютного возраста пород беломорской свиты проведены в 1924 г. свинцовым (К. А. Ненадкевич) и гелиевым (В. Г. Хлопин) методами.

Количество определений абсолютного возраста по некоторым регионам исчисляется десятками тысяч.

Из соотношения 5 можно найти промежуток времени, в течение которого происходил радиоактивный распад:

(4)

Характеристики процесса распада некоторых изотопов, используемых в геохронологии, приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Характеристики процесса распада изотопов

Исходный радиоактивный изотоп	Стабильный изотоп	Постоянная распада λ, лет-1	Период полураспада Т, лет
238U	206Pb	15,5125*10-11	4,51*109
235U	207Pb	98,435*10-11	0,707*109
232Th	208Pb	4,9475*10-11	14,1*109
40K	40Ar	49,62*10-11	1,25*109
87Rb	87Sr	1,42*10-11	4,88*109
14C	14N	1,21*10-4	5730

Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.

Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет проводить абсолютную датировку минералов, горных пород и метеоритов в геологии.
Радиометрические способы определения возраста основаны на следующих допущениях:

1. Постоянная времени всегда одинакова, она зависит от термодинамических условий и времени.

---

2. Система должна быть закрытой на протяжении всего времени существования исследуемого образца породы.

3. Начальное содержание радиоактивного изотопа в породе может быть установлено.

Предположение о постоянстве скорости распада было подтверждено исследованием слюд минералов, содержащих уран.

В геохронологии применяются следующие способы определения абсолютного возраста: уран-свинцовый, рубидий-стронциевый, калий-аргоновый, радиоуглеродный, рений-осмиевый, самарий-неодимовый, ксеноновый, гелиевый.

Задания

1. Пользуясь данными рис. 6.2, при помощи формул (2) и (3) рассчитать недостающие элементы таблицы согласно своему варианту.

2. Пользуясь данными задания № 1, при помощи формулы (4) рассчитать время радиоактивного распада.

Вариант 3
Таблица 6.3- Исходные данные

Вариант	Элемент	Постоянная распада λ, лет-1	Количество не распавшихся атомов Nt	Первоначальное количество атомов N0
3	214Bi	?	?	3,06*1025

Решение:
Период полураспада для ²¹⁴Bi = 20 мин.
1.

2.

ВЫВОД:

---

Смотрите также файлы

• 74. Астрономия наука о Вселенной.pdf

• Цепи переменного тока.pptx

• Словарь терминов.docx

• Философия.docx

• Трёхфазные цепи переменного тока.pptx