Открытие естественной радиоактивности

 

 

Нестабильность атомов была открыта в конце XIX в.Спустя 46 лет был построен первый ядерный реактор.

Мы проследим за быстрым развитием физики атомного ядра в исторической последовательности.

 

Открытие естественной радиоактивности — явления, до­казывающего сложный состав атомного ядра, произошло бла­годаря счастливой случайности. Рентгеновские лучи, как вы помните, впервые были получены при столкновениях быстрых электронов со стеклянной стенкой разрядной трубки. Одновре­менно наблюдалось свечение стенок трубки. Беккерель долгое время исследовал родственное явление — послесвечение ве­ществ, предварительно подвергшихся облучению солнечным светом. К таким веществам принадлежат, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал Беккерель.

И вот у него возник вопрос: не появляются ли после облуче­ния солей урана наряду с видимым светом и рентгеновские лу­чи? Беккерель завернул фотопластинку в плотную черную бу­магу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет. После проявления пластинка почерне­ла на тех участках, где лежала соль. Следовательно, уран со­здавал какое-то излучение, которое, подобно рентгеновскому, пронизывает непрозрачные тела и действует на фотопластин­ку. Беккерель думал, что это излучение возникает под влияни­ем солнечных лучей. Но однажды, в феврале 1896 г., провести очередной опыт ему не удалось из-за облачной погоды. Бекке­рель убрал пластинку в ящик стола, положив на нее сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почер­нение в форме отчетливой тени креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов со­здают какое-то излучение. Начались интенсивные исследова­ния. Конечно, не будь этой счастливой случайности, радиоак­тивные явления все равно были бы открыты, но, по-видимому, значительно позже.

Вскоре Беккерель обнаружил, что излучение урановых со­лей ионизирует воздух, подобно рентгеновским лучам, и раз­ряжает электроскоп. Испробовав различные химические со­единения урана, он установил очень важный факт: интенсив­ность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соедине­ния он входит. Следовательно, это свойство присуще не соеди­нениям, а химическому элементу урану, его атомам.

Естественно было попытаться обнаружить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химиче­ские элементы, кроме урана. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри (1867—1934) во Франции и другие ученые обнаружили из­лучение тория. В дальнейшем главные усилия в поисках новых элементов были предприняты Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Систематическое исследование руд, со­держащих уран и торий, позволило им выделить новый, неиз­вестный ранее химический элемент полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши.

Наконец, был открыт еще один элемент, дающий очень ин­тенсивное излучение. Он был назван радием (т. е. лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.

Радий имеет относительную атомную массу, равную 226, и занимает в таблице Менделеева клетку под номером 88. До от­крытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свой­ствам радий принадлежит к щелочноземельным элементам.

Впоследствии было установлено, что все химические элемен­ты с порядковым номером более 83 являются радиоактивными ( посмотреть опыт).

 

Альфа-, Бета- и Гамма- излучения

После открытия радиоактивных элементов началось ис­следование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри этим занялся Резерфорд.

Классический опыт, позволивший обнаружить сложный со­став радиоактивного излучения, состоял в следующем. Радио­активный препарат помещался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выхо­дившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рисунок 9.4). Вся установка размещалась в вакууме.

В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после про­явления обнаруживалось одно темное пятно, точно против ка­нала.

В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противопо­ложные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательная компонента излучения отклонялась магнит­ным полем гораздо больше, чем положительная. Третья со­ставляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получила название альфа-лучей, от­рицательно заряженная — бета-лучей и нейтральная — гам­ма-лучей (а-лучи, b-лучи, у-лучи).

Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т. е. по тому, насколько ин­тенсивно они поглощаются различными веществами. Наимень­шей проникающей способностью обладают а-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотоплас­тинке не обнаружится пятна, соот­ветствующего a-из лучению.

Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещест­во b-лучи. Алюминиевая плас­тинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей про­никающей способностью облада­ют у-лучи.

Как и в случае рентгеновских лучей, интенсивность погло­щения у-лучей увеличивается с ростом атомного номера веще­ства-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не явля­ется для них непреодолимой преградой. При прохождении че­рез такую пластину их интенсивность убывает лишь вдвое.

Физическая природа а-, b- и у-лучей, очевидно, различна.

 

Гамма-лучи

По своим свойствам у-лучи очень сильно напоминают рент­геновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводит на мысль, что у-л учи представляют собой электромагнитные волны. Все сом­нения в этом отпали после того, как была обнаружена дифрак­ция у-лучей на кристаллах и измерена длина волны. Она оказалась очень малой — от 10 до 10 см.

На шкале электромагнитных волн у-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения в ваку­уме у у-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — около 300 000 км/с.

 

Бета-лучи

С самого начала а- и b-лучи рассматривались как потоки за­ряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с р-лучами, так как они сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле.

Основная задача состояла в определении заряда и массы час­тиц. При исследовании отклонения b-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости b-частиц, испущенных данным радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями.

​

Альфа-частицы

Труднее оказалось выяснить природу а-частиц, так как они слабо отклоняются магнитным и электрическим полями.

Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он из­мерил отношение заряда q частицы к ее массе  по отклонению в электрическом и магнитном полях. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Для опре­деления массы а-частицы нужно было измерить еще ее заряд.

Это было сделано лишь после изобретения счет­чика Гейгера. С его помощью подсчитывалось чис­ло частиц, попадающих в единицу времени внутрь металлического цилиндра, соединенного с элек­трометром (рисунок 7.10).

Сквозь очень тонкое окош­ко а-частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им. Электрометр позволяет оп­ределить суммарный заряд а-частиц, испущенных за определенный интервал времени. Такого рода опыты показали, что заряд а-частицы равен удво­енному элементарному заряду. Следовательно, ее масса в 4 раза превосходит массу атома водорода, т. е. равна массе атома гелия. Таким образом, а-частица оказалась ядром атома гелия .

Не довольствуясь достигнутым результатом, Ре­зерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном а-распаде образуется гелий.

Собирая а-частицы внутри специального резервуара на протяжении не­скольких дней, Резерфорд с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая а-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия).

 

Радиоактивные превращения

Что же происходит с веществом при радиоактивном из­лучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радио­активности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительное постоянство, с которым радиоак­тивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На него не оказывали никакого влия­ния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличе­ние давления.

Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в ка­лориметр. В нем поглощались а-, (3- и у-лучи, и за счет их энер­гии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. И эта энергия выделяется непре­рывно на протяжении ряда лет.

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказы­вают никакого влияния все известные воздействия? По видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных хими­ческих превращений. Было сделано предположение, что пре­вращения претерпевают сами атомы!

Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической и нуж­на была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита многовековой давнос­ти об атомистическом строении вещества наконец восторжест­вовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность ато­мов ставится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка после­довательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолжен­ных им совместно с английским химиком Ф. Содди (1877— 1956).

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяе­мая как число распадов в единицу времени, остается неиз­менной в закрытой ампуле. Если же препарат обдувается да­же очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Резерфорд предположил, что одновре­менно с а-частицами торий испускает какой-то газ, который также является радиоактивным. Этот газ он назвал эманаци­ей . Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резер­форд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически оказывается рав­ной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и поме­щен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86.

Превращения испытывали и другие радиоактивные элемен­ты: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизмене­ниям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В по­давляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома — а-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого элект­рона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгенов­ским лучам, большой проникающей способностью и называе­мых у-из лучением.

Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью от­личное по своим физическим и химическим свойствам от пер­воначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождаю­щемуся излучением энергии в количествах, огромных по срав­нению с энергией, освобождающейся при обычных молекуляр­ных видоизменениях».

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактив­ных превращениях. Ведь а-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на едини­цу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Что такое y-лучи?

2. Что такое a- лучи?

3. Что такое b- лучи?

4. Что такое радиоактивные превращения?

5. Что определяет заряд ядра в таблице Менделеева?

​