Всё вокруг вас состоит из атомов — однако атом почти полностью пустое пространство. Если бы ядро было размером с мрамор, весь атом был бы размером…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
5.1
The atom · Атом
Syllabus · Программа
English
5.1.1 The atom
Core
Supplement
1 Describe the structure of an atom in terms of a positively charged nucleus and negatively charged electrons in orbit around the nucleus
3 Describe how the scattering of alpha ($\alpha$) particles by a sheet of thin metal supports the nuclear model of the atom, by providing evidence for: (a) a very small nucleus surrounded by mostly empty space (b) a nucleus containing most of the mass of the atom (c) a nucleus that is positively charged
2 Know how atoms may form positive ions by losing electrons or form negative ions by gaining electrons
5.1.2 The nucleus
Core
Supplement
1 Describe the composition of the nucleus in terms of protons and neutrons
6 Describe the processes of nuclear fission and nuclear fusion as the splitting or joining of nuclei, to include the nuclide equation and qualitative description of mass and energy changes without values
2 State the relative charges of protons, neutrons and electrons as +1, 0 and –1 respectively
3 Define the terms proton number (atomic number) $Z$ and nucleon number (mass number) $A$ and be able to calculate the number of neutrons in a nucleus
7 Know the relationship between the proton number and the relative charge on a nucleus
8 Know the relationship between the nucleon number and the relative mass of a nucleus
4 Use the nuclide notation $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Explain what is meant by an isotope and state that an element may have more than one isotope
Русский
5.1.1 Атом
Базовый
Дополнительно
1 Опишите строение атома с точки зрения положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра
3 Опишите, как рассеяние альфа-частиц ($\alpha$) тонким металлическим листом подтверждает ядерную модель атома, приводя доказательства: (a) очень маленького ядра, окруженного преимущественно пустым пространством (b) ядра, содержащего большую часть массы атома (c) ядра, которое имеет положительный заряд
2 Знать, как атомы могут образовывать положительные ионы, теряя электроны, или отрицательные ионы, приобретая электроны
5.1.2 Ядро
Базовый
Дополнительно
1 Опишите состав ядра с точки зрения протонов и нейтронов
6 Опишите процессы ядерного деления и ядерного синтеза как расщепление или объединение ядер, включая нуклидное уравнение и качественное описание изменений массы и энергии без числовых значений
2 Назовите относительные заряды протонов, нейтронов и электронов как +1, 0 и –1 соответственно
3 Определите термины порядковый номер (атомный номер) $Z$ и нуклонное число (массовое число) $A$ и умейте вычислять количество нейтронов в ядре
7 Знать связь между порядковым номером и относительным зарядом ядра
8 Знать связь между нуклонным числом и относительной массой ядра
4 Использовать нуклидную нотацию $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Объяснить, что понимается под изотопом, и указать, что элемент может иметь более одного изотопа
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
An atom 原子 is made of a tiny central nucleus 原子核 with electrons 电子 moving around it (in orbit 轨道, like planets around the Sun).
The nucleus has a positive charge 电荷.
The electrons have a negative charge.
The atom as a whole is neutral, because the positive and negative charges are equal.
Almost all the mass 质量 is in the nucleus, but the nucleus is very small compared with the whole atom. So an atom is mostly empty space.
Ions
An atom is neutral, but it can gain or lose electrons to become an ion 离子.
Lose one or more electrons → a positive ion (now there are more protons than electrons).
Gain one or more electrons → a negative ion.
The alpha-scattering experiment
This experiment gave the evidence for the nuclear model. Alpha particles α粒子 (small, fast, positive) were fired at a very thin gold foil 金箔, and the scattering 散射 (the way they bounced off) was watched.
The results and what they tell us:
Almost all the alpha particles went straight through. → The atom is mostly empty space.
A few were deflected 偏转 (bent) through small angles. → The nucleus has a positive charge, which pushes the positive alpha particles away.
A very few bounced almost straight back. → The nucleus is very small and very heavy, and holds most of the mass of the atom.
Русский
Атом состоит из крошечного центрального ядра, вокруг которого движутся электроны (в орбитах, как планеты вокруг Солнца).
Ядро имеет положительный заряд.
Электроны имеют отрицательный заряд.
Атом в целом нейтрален, так как положительные и отрицательные заряды равны.
Почти вся масса сосредоточена в ядре, но ядро очень мало по сравнению со всем атомом. Поэтому атом в основном представляет собой пустое пространство.
Ядерная модель атома: крошечное плотное ядро из протонов и нейтронов с электронами, вращающимися вокруг него
Ионы
Атом нейтрален, но может присоединять или терять электроны, превращаясь в ион.
Потеря одного или нескольких электронов → положительный ион (теперь протонов больше, чем электронов).
Присоединение одного или нескольких электронов → отрицательный ион.
Опыт по рассеянию альфа-частиц
Этот опыт дал доказательства ядерной модели. Альфа-частицы α (маленькие, быстрые, положительно заряженные) направлялись на очень тонкую золотую фольгу, и наблюдалось их рассеяние (то, как они отскакивали).
Результаты и то, что они говорят нам:
Почти все альфа-частицы проходили прямо сквозь фольгу. → Атом в основном пустое пространство.
Несколько частиц отклонялись (изгибались) под малыми углами. → Ядро имеет положительный заряд, который отталкивает положительные альфа-частицы.
Очень немногие частицы отскакивали почти прямо назад. → Ядро очень маленькое и очень тяжелое, и содержит большую часть массы атома.
Большинство альфа-частиц проходят прямо; несколько отклоняются, и очень немногие отскакивают обратно от крошечного плотного ядра
Explore · Исследовать
Inside the atom · Внутри атома
A tiny dense nucleus sits at the centre with electrons in shells around it — drag the proton number and watch the shells fill outward. · В центре находится крошечное плотное ядро, вокруг него — электронные оболочки; перетащите число протонов и наблюдайте, как оболочки заполняются от центра наружу.
The nucleus is made of two kinds of particle, together called nucleons 核子:
protons 质子, which have a relative 相对 charge of $+1$;
neutrons 中子, which have a relative charge of $0$ (they are neutral).
An electron has a relative charge of $-1$. A proton and a neutron each have a relative mass of about $1$; an electron is almost massless in comparison.
Two numbers describe a nucleus:
the proton number 质子数$Z$ (also called the atomic number) — the number of protons;
the nucleon number 核子数$A$ (also called the mass number) — the number of protons plus neutrons.
So the number of neutrons is $A - Z$.
We write a nucleus in nuclide 核素 notation:
$$^{A}_{Z}\text{X}$$
where X is the chemical symbol. For example, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ has $79$ protons and $197 - 79 = 118$ neutrons. The relative charge of the whole nucleus is just $+Z$ (here $+79$), and its relative mass is about $A$.
Isotopes
Isotopes 同位素 are atoms of the same element (the same $Z$) but with different numbers of neutrons (different $A$). They behave the same in chemistry but differently in the nucleus. For example, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ and $^{14}_{\ 6}\text{C}$ are both carbon.
Nuclear fission and fusion
In nuclear fission 核裂变, a heavy nucleus absorbs a neutron and then splits into two smaller nuclei, giving out two or three neutrons and a lot of energy 能量:
The top numbers (nucleon numbers) balance on both sides, and so do the bottom numbers (proton numbers). You can use this to find a missing number — for example, how many neutrons are released.
In nuclear fusion 核聚变, two light nuclei join to make a heavier one, also giving out energy. This is how the Sun makes its energy, joining hydrogen 氢 nuclei to make helium 氦. The reaction below — two heavy forms of hydrogen (deuterium and tritium) joining into helium — is the one used in fusion reactors on Earth:
In both fission and fusion, a small amount of mass is lost and turned into energy.
Русский
Ядро состоит из двух видов частиц, вместе называемых нуклонами:
протоны, имеющие относительный заряд $+1$;
нейтроны, имеющие относительный заряд $0$ (они нейтральны).
У электрона относительный заряд $-1$. У протона и нейтрона каждый относительная масса составляет примерно $1$; электрон практически лишён массы по сравнению с ними.
Два числа описывают ядро:
протонное число$Z$ (также называемое атомным номером) — количество протонов;
нуклонное число$A$ (также называемое массовым числом) — количество протонов плюс нейтронов.
Таким образом, количество нейтронов равно $A - Z$.
Мы записываем ядро в нуклидной нотации:
$$^{A}_{Z}\text{X}$$
где X — химический символ. Например, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ имеет $79$ протонов и $197 - 79 = 118$ нейтронов. Относительный заряд всего ядра равен $+Z$ (здесь $+79$), а его относительная масса составляет примерно $A$.
Изотопы
Изотопы — это атомы одного и того же элемента (одинаковое $Z$), но с разным количеством нейтронов (различное $A$). Они ведут себя одинаково в химии, но по-разному в ядре. Например, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ и $^{14}_{\ 6}\text{C}$ являются оба углеродом.
Изотопы углерода имеют те же шесть протонов, но разное количество нейтронов, поэтому они являются одним и тем же элементом с разной массой
Ядерный распад и синтез
При ядерном делении тяжелое ядро поглощает нейтрон, а затем разделяется на два меньших ядра, выделяя два или три нейтрона и много энергии:
Нейтрон делит ядро U-235 на два меньших ядра, высвобождая дополнительные нейтроны и энергию
Верхние числа (нуклонные числа) сбалансированы с обеих сторон, так же как и нижние числа (протонные числа). Вы можете использовать это для нахождения недостающего числа — например, сколько нейтронов выделяется.
При ядерном синтезе два легких ядра объединяются, образуя более тяжелое, также выделяя энергию. Так Солнце производит свою энергию, соединяя ядра водорода в гелий. Приведенная ниже реакция — соединение двух тяжелых изотопов водорода (деuterия и трития) в гелий — используется в реакторах термоядерного синтеза на Земле:
При синтезе два легких ядра объединяются в более тяжелое, выделяя нейтрон и энергию — реакция дейтерия и трития, используемая в реакторах термоядерного синтеза
Как при делении, так и при синтезе небольшая часть массы теряется и превращается в энергию.
Атомная электростанция использует энергию деления для выработки электроэнергии; башни выбрасывают отходы тепла в виде пара
Explore · Исследовать
The fission chain reaction · Цепная реакция деления
A neutron splits a uranium nucleus, which releases energy AND more neutrons — those split more nuclei, and so on. · Нейтрон расщепляет ядро урана, которое выделяет энергию И БОЛЕЕ НЕЙТРОНОВ — те расщепляют больше ядер, и так далее.
2 Know the sources that make a significant contribution to background radiation including: (a) radon gas (in the air) (b) rocks and buildings (c) food and drink (d) cosmic rays
3 Know that ionising nuclear radiation can be measured using a detector connected to a counter
4 Use count rate measured in counts / s or counts / minute
5 Use measurements of background radiation to determine a corrected count rate
5.2.2 The three types of nuclear emission
Core
Supplement
1 Describe the emission of radiation from a nucleus as spontaneous and random in direction
2 Identify alpha ($\alpha$), beta ($\beta$) and gamma ($\gamma$) emissions from the nucleus by recalling: (a) their nature (b) their relative ionising effects (c) their relative penetrating abilities ($\beta^+$ are not included, $\beta$-particles will be taken to refer to $\beta^-$)
3 Describe the deflection of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation in electric fields and magnetic fields
4 Explain their relative ionising effects with reference to: (a) kinetic energy (b) electric charge
5.2.3 Radioactive decay
Core
Supplement
1 Know that radioactive decay is a change in an unstable nucleus that can result in the emission of $\alpha$-particles or $\beta$-particles and/or $\gamma$-radiation and know that these changes are spontaneous and random
3 Know that isotopes of an element may be radioactive due to an excess of neutrons in the nucleus and/or the nucleus being too heavy
2 State that during $\alpha$-decay or $\beta$-decay, the nucleus changes to that of a different element
4 Describe the effect of $\alpha$-decay, $\beta$-decay and $\gamma$-emissions on the nucleus, including an increase in stability and a reduction in the number of excess neutrons; the following change in the nucleus occurs during $\beta$-emission neutron $\rightarrow$ proton + electron
5 Use decay equations, using nuclide notation, to show the emission of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation
5.2.4 Half-life
Core
Supplement
1 Define the half-life of a particular isotope as the time taken for half the nuclei of that isotope in any sample to decay; recall and use this definition in simple calculations, which might involve information in tables or decay curves (calculations will not include background radiation)
2 Calculate half-life from data or decay curves from which background radiation has not been subtracted
3 Explain how the type of radiation emitted and the half-life of an isotope determine which isotope is used for applications including: (a) household fire (smoke) alarms (b) irradiating food to kill bacteria (c) sterilisation of equipment using gamma rays (d) measuring and controlling thicknesses of materials with the choice of radiations used linked to penetration and absorption (e) diagnosis and treatment of cancer using gamma rays
5.2.5 Safety precautions
Core
Supplement
1 State the effects of ionising nuclear radiations on living things, including cell death, mutations and cancer
2 Describe how radioactive materials are moved, used and stored in a safe way
3 Explain safety precautions for all ionising radiation in terms of reducing exposure time, increasing distance between source and living tissue and using shielding to absorb radiation
Русский
5.2.1 Обнаружение радиоактивности
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что понимается под фоновой радиацией
2 Знать источники, вносящие значительный вклад в фоновую радиацию, включая: (a) радон (в воздухе) (b) горные породы и здания (c) продукты питания и напитки (d) космические лучи
3 Знать, что ионизирующее ядерное излучение можно измерить с помощью детектора, подключенного к счетчику
4 Использовать скорость счета, измеряемую в отсчетах / с или отсчетах / минуту
5 Использовать измерения фоновой радиации для определения скорректированной скорости счета
5.2.2 Три типа ядерных излучений
Базовый
Дополнительно
1 Описать испускание радиации из ядра как спонтанный и случайный по направлению процесс
2 Идентифицировать альфа- ($\alpha$), бета- ($\beta$) и гамма-излучения ($\gamma$) из ядра, вспоминая: (a) их природу (b) их относительную ионизирующую способность (c) их относительную проникающую способность ($\beta^+$ не рассматриваются, под $\beta$-частицами подразумеваются $\beta^-$)
3 Описать отклонение $\alpha$-частиц, $\beta$-частиц и $\gamma$-излучения в электрических и магнитных полях
4 Объяснить их относительные ионизирующие свойства с учетом: (a) кинетической энергии (b) электрического заряда
5.2.3 Радиоактивный распад
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что радиоактивный распад — это изменение нестабильного ядра, которое может привести к испусканию $\alpha$-частиц или $\beta$-частиц и/или $\gamma$-излучения, и знать, что эти изменения являются спонтанными и случайными
3 Знать, что изотопы элемента могут быть радиоактивными из-за избытка нейтронов в ядре и/или слишком большой массы ядра
2 Указать, что во время $\alpha$-распада или $\beta$-распада ядро превращается в ядро другого элемента
4 Описать эффект $\alpha$-распада, $\beta$-распада и $\gamma$-излучения на ядро, включая увеличение стабильности и уменьшение числа избыточных нейтронов; следующее изменение в ядре происходит во время $\beta$-излучения: нейтрон $\rightarrow$ протон + электрон
5 Использовать уравнения распада, используя нуклидную нотацию, чтобы показать испускание $\alpha$-частиц, $\beta$-частиц и $\gamma$-излучения
5.2.4 Период полураспада
Базовый
Дополнительно
1 Определить период полураспада конкретного изотопа как время, необходимое для того, чтобы половина ядер этого изотопа в любом образце распалась; вспомнить и использовать это определение в простых расчетах, которые могут включать информацию из таблиц или кривых распада (расчеты не будут включать фоновую радиацию)
2 Вычислять период полураспада по данным или кривым распада, из которых фоновая радиация не была вычтена
3 Объяснить, как тип испускаемого излучения и период полураспада изотопа определяют выбор изотопа для применений, включая: (a) бытовые пожарные (дымовые) сигнализации (b) облучение продуктов питания для уничтожения бактерий (c) стерилизацию оборудования с использованием гамма-лучей (d) измерение и контроль толщины материалов с выбором излучений, связанных с проникающей способностью и поглощением (e) диагностику и лечение рака с использованием гамма-лучей
5.2.5 Меры безопасности
Базовый
Дополнительно
1 Указать эффекты ионизирующих ядерных излучений на живые организмы, включая гибель клеток, мутации и рак
2 Описать, как радиоактивные материалы перемещают, используют и хранят безопасным образом
3 Объяснять меры безопасности для всех ионизирующих излучений с точки зрения сокращения времени воздействия, увеличения расстояния между источником и живой тканью и использования экранов для поглощения излучения
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Radioactive decay & half-life
A nucleus that is unstable 不稳定 will sooner or later break down and give out radiation 辐射. This is radioactive 放射性decay 衰变. A nucleus may be unstable because it has too many neutrons, or because it is too heavy.
Decay is spontaneous 自发 (it happens on its own, and you cannot speed it up or slow it down) and random 随机 (you cannot say which nucleus will decay next, or exactly when).
Background radiation
Some radiation is around us all the time. This is background radiation 背景辐射. Its main sources are:
radon 氡 gas in the air (usually the biggest source);
rocks and buildings;
food and drink;
cosmic rays 宇宙射线 from space.
Measuring radiation
Radiation can be measured with a detector 探测器 joined to a counter 计数器. The count rate 计数率 is the number of counts each second (or each minute).
To find the true count rate from a source, first measure the background count rate on its own, then subtract it. The answer is the corrected 修正 count rate:
Worked example. A detector placed next to a source reads $250$ counts/min. With the source taken away, the background count rate is $30$ counts/min. Find the corrected count rate.
$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Русский
Радиоактивный распад и период полураспада
Нестабильное ядро рано или поздно распадется и выделит излучение. Это радиоактивный распад. Ядро может быть нестабильным, если у него слишком много нейтронов или если оно слишком тяжелое.
Распад является спонтанным (происходит сам по себе, и его нельзя ускорить или замедлить) и случайным (невозможно предсказать, какое ядро распадется следующим или точно когда).
Фоновое излучение
Некоторое излучение окружает нас постоянно. Это фоновое излучение. Его основные источники:
газ радон в воздухе (обычно самый крупный источник);
скалы и здания;
еда и напитки;
космические лучи из космоса.
Измерение излучения
Излучение можно измерить с помощью детектора, подключенного к счетчику. Скорость счета — это количество импульсов каждую секунду (или каждую минуту).
Чтобы найти истинную скорость счета от источника, сначала измерьте фоновую скорость счета отдельно, а затем вычтите её. Результат — это скорректированная скорость счета:
Разобранный пример. Детектор, расположенный рядом с источником, показывает $250$ отсчётов/мин. При удалении источника фоновый уровень составляет $30$ отсчётов/мин. Найдите скорректированный уровень отсчётов.
$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Переносной счетчик Гейгера регистрирует ионизирующее излучение и отображает уровень отсчётов на экране
Explore · Исследовать
Radioactive decay · Радиоактивный распад
N = N₀·bᵗ
The number of unstable nuclei decays exponentially. · Количество нестабильных ядер уменьшается экспоненциально.
The three types of radiation · Три вида излучения
English
The radiation can be one of three types. Each type is ionising 电离, which means it can knock electrons off atoms in its path.
Type
What it is
Ionising effect
Stopped by
alpha (α)
a helium nucleus: 2 protons + 2 neutrons, charge $+2$
strongest
a sheet of paper, or a few cm of air
beta (β)
a fast-moving electron, charge $-1$
medium
a few mm of aluminium 铝
gamma (γ)
a high-energy electromagnetic wave 电磁波, no charge
weakest
thick lead 铅 or concrete (only reduced, never fully stopped)
So an alpha particle is the most ionising but the least penetrating 穿透 (it is easily absorbed 吸收). A beta particle β粒子 is in the middle. Gamma radiation γ射线 is the least ionising but the most penetrating.
We can explain the ionising effects from charge and kinetic energy 动能: an alpha particle has a large charge ($+2$) and is slow and heavy, so it pulls strongly on the electrons it passes and ionises a lot. A beta particle has a smaller charge and moves faster, so it ionises less.
Deflection in fields
Because alpha and beta particles are charged, they are deflected by an electric field 电场 and by a magnetic field 磁场. They bend in opposite directions, because their charges have opposite signs, and the lighter beta particle bends more. Gamma rays have no charge, so they are not deflected at all.
Русский
Излучение может быть одного из трёх типов. Каждый тип является ионизирующим, то есть он может отрывать электроны от атомов, находящихся на своём пути.
Тип
Что это такое
Ионизирующее действие
Останавливается чем
альфа (α)
ядро гелия: 2 протона + 2 нейтрона, заряд $+2$
самый сильный
лист бумаги или несколько см воздуха
бета (β)
быстро движущийся электрон, заряд $-1$
средний
несколько мм алюминия
гамма (γ)
высокоэнергетическая электромагнитная волна, без заряда
самый слабый
толстый свинец или бетон (только ослабляется, никогда не останавливается полностью)
Таким образом, альфа-частица является наиболее ионизирующей, но наименее проникающей (она легко поглощается). Бета-частица β находится посередине. Гамма-излучение γ является наименее ионизирующим, но наиболее проникающим.
Бумага останавливает альфа-частицы, несколько миллиметров алюминия останавливает бета-частицы, а толстый свинец лишь ослабляет гамма-излучение
Мы можем объяснить ионизирующее воздействие через заряд и кинетическую энергию: альфа-частица имеет большой заряд ($+2$), медленна и тяжела, поэтому она сильно притягивает пролетающие электроны и вызывает сильную ионизацию. Бета-частица имеет меньший заряд и движется быстрее, поэтому ионизирует меньше.
Отклонение в полях
Поскольку альфа- и бета-частицы имеют заряд, они отклоняются под действием электрического поля и магнитного поля. Они изгибаются в противоположные стороны, так как их заряды имеют разные знаки, а более легкая бета-частица отклоняется сильнее. Гамма-лучи не имеют заряда, поэтому они вообще не отклоняются.
Альфа- и бета-частицы отклоняются в противоположные стороны; более легкая бета-частица отклоняется сильнее, а незаряженная гамма-радиация не отклоняется
5.2
Decay equations · Уравнения распада
English
When a nucleus decays, the nucleon and proton numbers must balance on both sides.
Alpha decay — the nucleus loses 2 protons and 2 neutrons, so $A$ falls by $4$ and $Z$ falls by $2$. It becomes a different element:
Gamma emission — the nucleus loses only energy, so $A$ and $Z$ do not change. Alpha and beta decay leave the nucleus more stable 稳定; gamma is often given out at the same time to carry away spare energy.
Русский
При распаде ядра массовое (нуклонное) и порядковое (протонное) числа должны сохраняться по обе стороны уравнения.
Альфа-распад — ядро теряет 2 протона и 2 нейтрона, поэтому $A$ уменьшается на $4$, а $Z$ уменьшается на $2$. Ядро превращается в другой элемент:
Разобранный пример. Ядро радия $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ испускает альфа-частицу. Найдите массовое (нуклонное) число и порядковый (протонный) номер нового ядра.
Гамма-излучение — ядро теряет только энергию, поэтому $A$ и $Z$ не изменяются. После альфа- и бета-распадов ядро становится более стабильным; гамма-излучение часто выделяется одновременно для уноса избыточной энергии.
Because decay is random, we cannot follow one nucleus. Instead we describe a large sample 样品 using its half-life.
The half-life 半衰期 of an isotope is the time taken for half the unstable nuclei in a sample to decay. After each half-life, the count rate (or the number of unstable nuclei left) falls to half.
For example, if a source has a count rate of $800$ counts/min and a half-life of $3$ hours:
Time / hours
0
3
6
9
Count rate / (counts/min)
800
400
200
100
After $6$ hours (two half-lives) the count rate has halved twice: $800 \to 400 \to 200$. You can read a half-life off a decay graph by finding the time for the count rate to drop from any value to half of it. If the readings include background radiation, subtract the background count rate from every reading first, then find the half-life from the corrected values.
Worked example. The activity of a source falls from $800$ counts/min to $100$ counts/min. Its half-life is $5$ days. How long did this take?
Count the halvings: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ is three half-lives, so the time is $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.
Русский
Поскольку распад случаен, мы не можем отслеживать одно ядро. Вместо этого мы описываем большой образец с помощью его периода полураспада.
Период полураспада изотопа — это время, за которое половина нестабильных ядер в образце распадается. После каждого периода полураспада уровень отсчётов (или количество оставшихся нестабильных ядер) уменьшается вдвое.
Например, если источник имеет уровень отсчётов $800$ отсчётов/мин и период полураспада $3$ часов:
Время / часы
0
3
6
9
Уровень отсчётов / (отсчёты/мин)
800
400
200
100
Через $6$ часов (два периода полураспада) уровень отсчётов уменьшился вдвое дважды: до $800 \to 400 \to 200$. Период полураспада можно определить по графику распада, найдя время, за которое уровень отсчётов падает от любого значения до половины. Если показания включают фоновую радиацию, сначала вычтите фоновый уровень отсчётов из каждого показания, затем определите период полураспада по скорректированным значениям.
Разобранный пример. Активность источника снижается с $800$ отсчётов/мин до $100$ отсчётов/мин. Его период полураспада составляет $5$ дней. Сколько времени занял этот процесс?
Подсчитайте деления пополам: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ соответствует трём периодическим половинкам, поэтому время составляет $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.
Каждый период полураспада $T$ уровень отсчётов уменьшается вдвое: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · У каждого ядра есть фиксированная вероятность распада в случайный момент времени. С течением времени примерно половина оставшихся ядер распадается за каждый период полураспада — поэтому счет уменьшается вдвое, затем снова вдвое.
Uses of radioactivity · Применение радиоактивности
English
The isotope chosen for a job depends on its type of radiation and its half-life:
smoke alarms 烟雾报警器 use an alpha source (alpha is easily blocked, so it is safe outside the alarm, and a long half-life means it lasts for years);
using radiation on food, or on equipment, kills bacteria 细菌 and germs — this needs penetrating gamma rays to sterilise 消毒 the sealed item;
measuring and controlling the thickness of paper or metal sheets uses a beta source (the amount that passes through changes with the thickness);
a medical tracer 医用示踪剂 is a small amount of a gamma-emitting isotope with a short half-life, injected into the body: a detector outside the body follows where it goes, gamma rays escape from the body easily, and the activity soon falls to a safe level;
gamma rays are used to find and to treat cancer 癌症 inside the body, because they can pass out of (or into) the body.
Русский
Выбор изотопа для конкретной задачи зависит от типа его излучения и периода полураспада:
дымовые оповещатели используют альфа-источник (альфа-излучение легко блокируется, поэтому безопасно вне оповещателя, а длительный период полураспада означает, что он служит годами);
использование излучения на пище или оборудовании убивает бактерии и микробы — это требует проникающих гамма-лучей для стерилизации запечатанного предмета;
измерение и контроль толщины листов бумаги или металла использует бета-источник (количество проходящего излучения меняется в зависимости от толщины);
медицинский трассер — это небольшое количество гамма-изотопу с коротким периодом полураспада, впрыскиваемое в организм: внешний детектор отслеживает его движение, гамма-лучи легко выходят из тела, а активность скоро снижается до безопасного уровня;
гамма-лучи используются для обнаружения и лечения рака внутри тела, поскольку они могут выходить из него (или проникать в него).
Лучевая терапия: сетчатая маска удерживает пациента неподвижно, пока лазерные лучи выравнивания точно направляют гамма-лучи на опухоль для лечения рака
5.2
Safety · Безопасность
English
Ionising radiation harms living cells 细胞. It can cause cell death, mutations 突变 (changes to the genes) and cancer.
When working with radioactive sources, keep the dose 剂量 (the amount of radiation received) low by:
reducing the exposure 照射 time — spend as little time near the source as possible;
increasing the distance between you and the source;
using shielding 屏蔽, such as lead, between the source and your body.
Radioactive sources should be handled with tongs (not bare hands), kept pointing away from people, and stored in a lead-lined box.
Русский
Ионизирующее излучение вредит живым клеткам. Оно может вызывать гибель клеток, мутации (изменения в генах) и рак.
При работе с радиоактивными источниками держите дозу (количество полученного излучения) низкой, соблюдая следующие меры:
сокращая время воздействия — проводите как можно меньше времени рядом с источником;
увеличивая расстояние между собой и источником;
используя экранирование, например свинцовое, между источником и вашим телом.
Радиоактивные источники следует брать пинцетом (не голыми руками), направлять от людей и хранить в свинцовом ящике.
5.2
Exam tips · Советы для экзамена
English
The nucleon number (top) is protons + neutrons; the proton number (bottom) is protons only. Number of neutrons = nucleon number − proton number.
Isotopes have the same proton number but different nucleon numbers — the same element with a different number of neutrons.
Rank the radiations two ways: alpha is the most ionising but least penetrating (stopped by paper); gamma is the least ionising but most penetrating (needs thick lead). Beta is in between (stopped by a few mm of aluminium).
In every decay equation the top numbers must balance and the bottom numbers must balance. Alpha decay: $A-4$, $Z-2$. Beta decay: $A$ unchanged, $Z+1$.
Always subtract the background count rate before using a source's readings. After $n$ half-lives the count rate has halved $n$ times — count the halvings rather than guessing from the total time.
Русский
Нуклонное число (верхнее) равно сумме протонов и нейтронов; протонное число (нижнее) равно количеству только протонов. Количество нейтронов = нуклонное число − протонное число.
Изотопы имеют одинаковое протонное число, но разное нуклонное число — это один и тот же элемент с разным количеством нейтронов.
Расположите виды излучений по двум критериям: альфа-излучение является наиболее ионизирующим, но наименее проникающим (останавливается листом бумаги); гамма-излучение является наименее ионизирующим, но наиболее проникающим (требует толстого слоя свинца). Бета-излучение занимает промежуточное положение (останавливается несколькими миллиметрами алюминия).
В каждом уравнении распада верхние числа должны быть сбалансированы, а нижние числа также должны быть сбалансированы. Альфа-распад: $A-4$, $Z-2$. Бета-распад: $A$ не изменяется, $Z+1$.
Всегда вычитайте фоновую скорость счета перед использованием показаний источника. После $n$ периодов полураспада скорость счета уменьшается вдвое $n$ раз — считайте количество уменьшений вдвое, а не гадайте по общему времени.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
