Радіоактивність, її властивостіВивчаючи фосфоресцентне свічення мінералів, А. Беккерель в 1896 р. знайшов, що солі урану випускають невидимі промені, яким притаманна висока проникаюча здатність (фотопластинки, які були загорнуті в чорний папір, “засвічувались”, коли поблизу розташовували сіль урану). Це випромінювання було спочатку назване беккерелевими променями. Характерні особливості цього випромінювання – самодовільність і постійність, повна не залежність від зовнішніх умов (освітлення, тиску і температури). П. Кюрі і М. Складовська-Кюрі, які зайнялися вивченням беккерелевих променів, перебрали майже всі відомі на той час мінерали з метою знайти в них таке ж саме випромінювання. Так, вони встановили, що уранова смоляна руда дає випромінювання, інтенсивність якого в 4 рази більша інтенсивності солей урану. В 1898 р. подружжя Кюрі відкрили два елементи – полоній і радій, які випускали відкрите Беккерелем випромінювання. М. Складовська-Кюрі (єдина жінка, яка була нагороджена двома Нобелевськими преміями), П. Кюрі та Е. Резерфорд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. В магнітному полі потік беккерелевих променів розділяється на три частини – компоненти, які названі альфа (a)-, бета (b)- і гамма (g)-променями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радіоактивними, а властивість речовин випромінювати a-, b-, g -промені назвали радіоактивністю або радіоактивним розпадом. Було встановлено, що при a - і b -розпадах утворюються ядра нових елементів. Альфа-випромінювання. Надалі Резерфорд, Кюрі та їх співробітники довели, що a -частинки являють собою ядра гелію He, тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електрона (q = 2 е, е = 1.6×10–19 Кл) завдяки 2 протонам, та масу, яка в 4 рази більша, ніж маса ядра атома водню (m = 4 m 0, m 0 = 1.67×10–27 кг) завдяки 2 протонам і 2 нейтронам. Бета-випромінювання. Бета-випромінювання буває двох типів: 1) електронне бета-випромінювання, що складається із швидких електронів, які вилітають з ядра атома, 2) позитронного бета-випромінювання. Позитрон, що також вилітає з ядра, є античастинка по відношенню до електрона, яка відрізняється від нього лише знаком заряду і магнітного моменту. Позитрон був відкритий теоретично В. Паулі та (10.5) Тут використані такі позначення: – нейтрон, – протон, – електрон, – позитрон, і – нейтрино та антинейтрино. Таким чином, перетворення нейтрона у протон у ядрі атома супроводжується електронним бета-випромінюванням, а обернений процес – перетворення протона в нейтрон – позитронним бета-випромінюванням. Cлід зазначити, що термін бета-випромінювання асоціюється, як правило, з електронами. Існує ще один процес, який відносять також до бета-розпаду - електронне К-захоплення, при якому відбувається взаємне перетворення нуклонів ядра: . (10.6) При цьому процесі електрон, що знаходиться на найближчій до ядра К -орбіти захоплюється ядром, в результаті чого протон перетворюється в нейтрон і випромінюється нейтріно. При К -захопленні (значно рідше відбуваються процеси L - і М -захоплення, тобто поглинання ядром електронів з L - або М - оболонок) число протонів Z, яке визначає порядковий номер хімічного елементу, зменшується на одиницю. Внаслідок такого процесу утворюється ядро елемента, який розташований в періодичній системі Менделєєва на попередньому місці, як це має місце при позитронному b -розпаді. Прикладом такого перетворення хімічних елементів внаслідок К -захоплення є реакція . Слід зауважити, що фізики досить довго мали труднощі з поясненням неперервного спектру бета-випромінювання (мал. 10.6). Дійсно, здавалося зовсім незрозумілим з точки зору закону збереження енергії, як при фіксованих енергіях протона і нейтрона енергія бета-частинки може змінюватися в досить широких межах, а не бути фіксованою. При фіксованій енергії бета-частинки її спектр мав би бути, звичайно, лінійчаcтим. Висловлювалось навіть таке припущення, що при b -розпадах може не виконуватися закон збереження енергії. Але згодом Е. Фермі знайшов вірне пояснення неперервному спектрові бета-випромінювання, припустивши наявність ще однієї частинки – нейтріно n (при позитронному b -розпаді) та антинейтріно (при електронному b -розпаді). Саме Е. Фермі ввів термін “нейтріно”, що означає “маленький нейтрон”, хоча гіпотезу про можливість існування такої нейтральної частинки висловив Гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання, як і рентгенівське випромінювання, належить до більш широкого класу електромагнітних випромінювань. В основному фізична природа гамма-випромінювання пов’язана з переходами нуклонів ядра з одного стаціонарного енергетичного рівня на інший подібно до того, як перехід між стаціонарними енергетичними рівнями атомів та молекул супроводжується випромінюванням або поглинанням електромагнітного випромінювання радіо-, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового діапазонів. Тому енергія g -фотона при гамма-випромінюванні може бути знайдена за відомою формулою Бора-Зоммерфельда: hn = DE, (10.7) де D E – різниця енергій стаціонарних рівнів ядра атома, між якими відбувається перехід нуклонів. Звичайно, частота n та, відповідно, довжина хвилі гамма-випромінювання визначається цією енергією D E. Так, при енергії g -променів в 0.5 МеВ довжина їх хвилі дорівнює l» 2.5×10–12 м. Слід підкреслити, що 1) гамма-випромінювання не приводить до зміни порядкового номеру хімічного елементу через нульовий заряд g -квантів, тобто тільки за рахунок гамма-випромінювання не може відбутися перехід ядер одного елементу в ядра іншого елементу; 2) гамма-випромінювання відбувається одночасно з іншими радіоактивними перетвореннями - a -розпадом, всіма типами b -розпаду (електронним, позитронним і електронним К -захопленням), спонтанним діленням атомних ядер тощо. Таким чином, радіоактивність – це такий процес, внаслідок якого відбуваються а) самодовільне перетворення ядер одного хімічного елементу в ядра іншого елементу, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію (a-розпад) або електронів і позитронів (b-розпад), а також б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елементу короткохвильового електромагнітного випромінювання (g-розпад), яке супроводжує a- і b-розпади.
|