Радиоактивность

​

Но если это не Х-лучи и не фосфоресценция, то что же это такое?

А. Беккерель

Только ли уран испускает новые лучи? И если да, то в чем его исключительность?

П.Кюри

Новый элемент... мы предлагаем назвать радием.

М. Кюри

 

Виды радиоактивных излучений. В 1896 г. французский физик А. Бекке­рель установил, что некоторые встречающиеся в природе минералы (соли ура­на) испускают лучи, которые не были к тому времени известны.

Вещества, испускающие особые излучения, были названы радиоактивны­ми, а свойство вещества, связанное с наличием этих излучений, — радиоак­тивностью.

Изучением радиоактивности занялись Мария и Пьер Кюри, Эрнест Резер­форд и

другие ученые. Супруги Кюри обнаружили, что некоторые урановые руды

обладают способностью испускать излучение, в несколько раз превосхо­дящее по

интенсивности излучение урана. Они выделили из этих руд новые химические

элементы— радий и полоний   .

Через несколько лет после открытия Беккереля было установлено, что радио­активное излучение по составу неоднородно. С помощью установки, схема которой изображена на рисунке 9.4, было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоак­тивным элементом, в магнитном поле разделяется на три вида, которые назвали а-, (3- и у-лучами. По направлению откло­нения лучей в магнитном поле можно сде­лать вывод, что а-лучи — это поток частиц, имеющих положительный заряд, (3-лучи — отрицательный заряд, а у-лучи, на которые магнитное поле не действует, — нейтраль­ны.

Дальнейшие исследования показали:

• альфа-лучи — это поток а-частиц, представляющих собой ядра гелия |He;

• бета-лучи — это поток электронов, скорость которых близка к скорости све­та в вакууме;

• гамма-лучи — это электромагнитное излучение, частота которого превышает частоту рентгеновского излучения.

Наибольшей проникающей способностью обладает у-излучение. При прохождении сквозь свинцовую пластин­ку толщиной 1 см его интенсивность убывает примерно в два раза.

Бета-излучение задерживается алюминиевой пла­стинкой толщиной в несколько миллиметров. Наименьшей проникающей способностью обладает a-излучение, для ко­торого лист обычной бумаги уже «непрозрачен».

Взаимодействуя с веществом, радиоактивное излу­чение проявляет следующие свойства:  

• обладает химическим действием, в частности вы­зывает почернение фотопластинки;

• вызывает ионизацию газов, а иногда твердых тел и жидкостей, сквозь которые оно проходит;

• возбуждает люминесценцию некоторых твердых и жидких тел.

На этих свойствах радиоактивных излучений основаны эксперименталь­ные методы их обнаружения и исследования.

Исследования показали, что радиоактивность сопровождается превращением химических элементов и не зависит от того, находится вещество в виде чистого элемента или соединения, а также от внешних условий (температуры, давления и др.). Отсюда следует, что радиоактивность является свойством атомных ядер.

Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называет­ся естественной радиоактивностью.

Правила смещения. Превращения атомных ядер, сопровождающиеся а- и (3-излучениями, называют а- и (3-распадами соответственно. Ядро, испытыва­ющее радиоактивный распад, называют материнским; ядро, возникающее пос­ле распада, — дочерним.

Испускание а-частицы материнским ядром приводит к образованию дочер­него ядра, массовое число которого меньше на 4 единицы, а зарядовое — мень­ше на 2 единицы, чем у исходного ядра, т. е. в результате а-распада порядко­вый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы. На­пример, при испускании а-частицы ядром радия (Z = 88, А = 226) возникает ядро радона (Z = 86, А = 222):

​

Бета-распад не изменяет массового числа, а зарядовое увеличивается на 1, т. е. порядковый номер элемента возрас­тает на одну единицу. Например, при (3-распаде ядра (рисунок 9.5) возникает ядро :  

​

При (3-распаде в ядре происходит превращение нейтрона в протон.

Гамма-излучение сопутствует перегруппировке нуклонов внутри ядер, при которой числа Z и А не меняются.

В общем виде смещение ядер в Периодической системе элементов при ра­диоактивных распадах подчиняется правилам (правила смещения), которые записываются так:

​

​

 

 

Здесь X — символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру; Y — то же для дочернего ядра; — ядро изотопа гелия; — символ электрона.

Получившееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро может также оказаться радиоактивным и т. д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений элементов.

В природе известны три радиоактивных ряда (или семейства), родоначаль­никами которых являются изотопы   

Конечными продуктами во всех случаях являются изотопы свинца.

Правила смещения вытекают из законов сохранения заряда и массового числа при радиоактивных распадах.

Ядерные спектры. Опытами установлено, что у-излучение не является само­стоятельным видом радиоактивности. Гамма-излучение сопровождает процес­сы а- и (З-радиоактивных распадов. Рассмотрим, как ядро испускает у-излу­чение.

Пусть материнское ядро, испустив а-частицу, превращается в дочернее ядро. Последнее, как правило, находится в возбужденном состоянии. Перехо­дя в нормальное или в менее возбужденное состояние, дочернее ядро испуска­ет у-фотон. Разность энергий между возбужденным и нормальным состоянием дочернего ядра равна энергии излученного у-фотона. Механизм испускания у-фотонов ядром такой же, как и механизм излучения фотонов атомом, кото­рый, переходя из возбужденного состояния в нормальное, испускает фотон оп­тического или рентгеновского излучения. Однако энергия у-фотонов гораздо больше, чем энергия оптических фотонов. Это связано с гораздо большими разностями в энергетических уровнях ядра по сравнению с разностью уровней электронных оболочек атома. Электронные энергетические уровни в атоме раздвинуты на энергии порядка 1 эВ, энергии же ядерных уровней раздвину­ты примерно на 0,1 МэВ.

Измерение энергии у-фотонов показало, что энергетический спектр у-фо­тонов является линейчатым.

Закон радиоактивного распада. Для характеристики продолжительности жизни радиоактивных ядер вводится величина, называемая периодом полу­распада (обозначается Т1/2).

Период полураспада — это время, в течение которого распадается полови­на первоначального числа радиоактивных ядер.

Очевидно, что период полураспада Т1/2 равен также времени, по прошествии которого нераспавшейся

Из-за относительно малого периода полураспада химические элементы, распо­ложенные в периодической системе за ураном (трансурановые), не сохранились в земной коре. Химические элементы с Z > 92 получают искусственным путем.

Ранее уже упоминалось, что при исследовании радиоактив­ного распада Резерфорд установил опытным путем характер за­висимости активности радиоактивных веществ от времени — основной закон радиоактивного распада. Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убы­вает в 2 раза. Этот интервал носит название периода полурас­пада. Период полураспада Т — это то время, в течение которо­го распадается половина наличного числа радиоактивных ато­мов. Ведь уменьшения активности препарата в 2 раза можно достичь простым делением его на две равные части.

Закон радиоактивного распада записывается в виде:

 где N0 — начальное число радиоактивных ядер в момент времени, с которого начина­ется наблюдение, N — число ядер, не испы­тавших распада до некоторого произвольно­го момента времени t, Т1/2 — период полу­распада.

На рисунке 9.6 приведен график, иллюстри­рующий закон радиоактивного распада: по оси ординат отложено число радиоактивных ядер, по оси абсцисс — время. Как видно из графика, число нераспавшихся ядер в тече­ние любого интервала времени, равного пе­риоду полураспада, уменьшается в 2  раза.

Закон радиоактивного распада является статистическим, т. е. он выполняется для большого числа ядер. Чем больше будет об­щее число исходных ядер, тем точнее выпол­няется этот закон. Для малого числа ядер этот закон применять нельзя.

Статистический характер закона радиоактивного распада

Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но фи­зический смысл этого закона представить себе нелегко. Дей­ствительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада — половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Радиоактивные ато­мы не «стареют».

​

Так, атомы радона, возникающие при распа­де радия, имеют одинаковые шансы претерпеть радиоактив­ный распад как сразу же после своего образования, так и спус­тя полчаса после этого.

Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не су­ществует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни т.

Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, в то время как его соседи благополучно продолжа­ют оставаться в прежнем состоянии. Среднее время жизни — это просто среднее арифметическое времен жизни достаточно большого количества атомов данного сорта. Оно прямо пропор­ционально периоду полураспада. Можно показать, что t=1,4T.

Предсказать, когда произойдет распад данного атома, не­возможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Именно в среднем число атомов, распадающихся за данный интервал времени, определяется законом радиоактивного распада. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статис­тическим законом. Он справедлив в среднем для большого ко­личества частиц. Для малого числа атомов говорить об опреде­ленном законе радиоактивного распада не имеет смысла.

Если поднести радиоактивный препарат с малой активно­стью к счетчику, дающему звуковой сигнал (щелчок) при реги­страции частицы, то щелчки будут следовать друг за другом нерегулярно, хаотически. Здесь вероятностный характер рас­пада ощущается непосредственно. Каждый щелчок означает, что один из бесчисленных миллиардов атомов препарата само­произвольно взрывается, выбрасывая быструю частицу.

Статистический характер закона радиоактивного распада есть следствие того, что законы поведения микрочастиц — за­коны квантовой механики — являются статистическими. Только после создания квантовой механики удалось построить теорию радиоактивных превращений атомных ядер.

 

Определение возраста Земли

Возраст Земли имеет тот же порядок, что и возраст древней­ших пород. Этот возраст можно оценить по относительному со­держанию естественных радиоактивных ядер и продуктов их распада. Так, например, уран после цепочки радиоактивных распадов превращается в конце концов в стабильный свинец. Если в данном минерале, содержащем уран, весь свинец имеет радиоактивное происхождение, то по отношению числа атомов урана к числу атомов свинца можно определить возраст мине­рала. Подобные оценки позволяют утверждать, что возраст Земли 4,5 млрд лет.

 

Изотопы

Изучение радиоактивности привело к важному откры­тию, касающемуся природы атомных ядер.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно выяснилось, что существуют вещест­ва, имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся разными способами), но совершенно тож­дественные по своим химическим свойствам. Их никак не уда­валось разделить всеми известными химическими способами. На этом основании Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми хими­ческими свойствами, но различающихся в других отношени­ях, в частности своей радиоактивностью. Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Мен­делеева. Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими оди­наковые места).

Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон пред­принял точные измерения массы ионов неона методом откло­нения их в электрических и магнитных полях. Томсон обнару­жил, что неон представляет собой смесь двух сортов атомов. Большая часть их имеет относительную массу, равную 20. Но имеется незначительная добавка атомов с относительной атом­ной массой 22. В результате относительная атомная масса сме­си равна 20,2. Атомы, обладающие одними и теми же химиче­скими свойствами, различались массой. Оба сорта неона, есте­ственно, занимают одно и то же место в таблице Менделеева и, следовательно, являются изотопами. Таким образом, изотопы могут отличаться не только своими радиоактивными свойства­ми, но и массой. Именно последнее обстоятельство и оказалось главным. У изотопов заряды атомных ядер, которые определя­ют число электронов в оболочке и, следовательно, химические свойства атомов, одинаковы. Но массы ядер различны. При­чем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильны­ми. Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.

В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов, но только не все элементы имеют стабильные изотопы. Изотопы есть у самого тяжелого из су­ществующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные массы 1, 2, 3).

Особенно замечательны изотопы водорода, так как они отличаются друг от друга по массе в 2 или 3 раза. Изотоп с от­носительной атомной массой 2 называется дейтерием. Он ста­билен и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом об­разуется так называемая тяжелая вода. Ее физические свой­ства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нор­мальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и за­мерзает при 3,8 °С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием. Он (b-радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра и, следовательно, строение электронной оболочки опреде­ляют не все свойства атомов, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии элек­тронной оболочки, например размеры. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номе­ром в таблице Менделеева.

Существенно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам. Сильное отклонение относительных атомных масс не­которых химических элементов от целых чисел (атомная мас­са хлора, например, равна 35,5) объясняется тем, что в естест­венном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях. Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.

​

Вопросы для самоконтроля

​

1.  Что называется естественной радиоактивностью?

2. Как изменяется заряд и масса ядра при -а-, -в- распаде?

3. Какие процессы происходят в ядре при у-излучения?

4. Сформулируйте закон радиоактивного распада и запишите его формулу.

5. Можно ли предсказать, когда распадется одно из двух имеющихся радиоактивных ядер?

​