I. РАДИОАКТИВНОСТЬ

 

Естественной радиоактивностью называют самопроизвольные вращения ядер одних элементов в ядра других с испусканием частиц или квантов электромагнитного излучения.

Радиоактивные свойства впервые обнаружил у урана французский физик А. Беккерель (1852-1908) в 1896 г.

Открытие радиоактивности произошло вслед за открытием рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи впервые были замечены при бомбардировке стеклянных стенок разрядной трубки катодными лучами. Наиболее эффектным результатом такой бомбардировки является интенсивное зеленое свечение стекла — люминесценции. Это обстоятельство навело на мысль, что рентгеновское излучение есть продукт люминесценции и сопровождает всякую люминесценцию, например возбужденную светом. Опытной проверкой этого предположения занялся Беккерель. Он возбуждал люминесцирующие вещества светом, а затем подносил их к обернутой в черную бумагу фотопластинке. Проникающие лучи должны были бы обна­ружиться по почернению фотопластинки после проявления. Из всех испытанных Беккерелем люминесцирующих веществ почерненение пластинки сквозь черную бумагу вызывала лишь соль урана. Одна­ко при этом оказалось, что образец, предварительно возбужденный сильным освещением, чернел так же, как и невозбужденный обра­зец. Отсюда следовало, что испускаемые урановой солью лучи не связаны с люминесценцией и независимы от внешних воздействий. Этот вывод подтвердился опытами с нелюминесцирующими соеди­нениями урана — все они испускали проникающие лучи.

Рассмотрим некоторые типы радиоактивных превращений. Преж­де чем записать соответствующие уравнения, отметим ту важную мысль, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении α-частиц (ядер атома гелия), так как в электронной оболочке их нет. Ядерное происхождение β-частиц электронов или позитронов доказывается химическими опытами. Если β -частицы испускаются ядрами, то β -радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, электрон уносит из ядра единицу отрицательного заряда, т.е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не Z, а Z+1 электрон; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. Действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих β -частицы, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на единицу превышающим порядковый номер β - излучателя.

Испускание α -частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами.

Итак, испуская α- и β -частицы, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента. Видимо, поэтому испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом.

Как же осуществляется в ядрах сильное взаимодействие нуклонов

(по современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона). Протоны и нейтро­ны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодейст­вия, существующего между этими частицами. Наличие та­кого взаимодействия было подтверждено в 1919 г. опытами Резерфорда. В этих опытах бомбардировке α -частицами под­вергались легкие ядра атомов (с малым Z) для уменьшения кулоновского отталкивания. При бомбардировке ядер атома водорода (протонов) α -частицы испытывали кулоновское от­талкивание от протона, находясь от него на расстоянии, пре­вышающем 3∙10ˉ¹⁵м. На меньших расстояниях пролета от протона наблюдалось притяжение α -частиц к про­тону, обусловленное сильным взаимодействием нуклонов друг с другом. Нейтрон начинает притягиваться к протону, находясь от него на расстоянии, меньшем 2∙10ˉ¹⁵м. На расстоянии, меньшем 0,4∙10ˉ¹⁵м, действуют мощные силы от­талкивания между ними.

Притяжение между протоном и нейтроном объясняется их постоянным обменом друг с другом виртуальной (экспе­риментально ненаблюдаемой при таком взаимодействии) частицей — π⁺-мезоном (рис. 1).

 

 

Рис.1

 

Подобный обмен условно можно продемонстрировать на следующем примере. Один из двух людей, стоящих друг на­против друга, с очень тяжелым шаром в руках, будучи не в состоянии удержать равновесие, наклоняется вперед. В этот момент второй человек, до этого лишь придерживавший шар, его подхватывает и ситуация вскоре зеркально повторяется.

Приведем уравнения радиоактивных распадов.

[Верхнее число А, сопровождающее химические символы ядер элементов, есть массовое число рассматриваемого изотопа, нижнее Z- электрический заряд ядра атома этого элемента (порядковый номер в таблице Менделеева).]

 

α - распад: так как α -частица Не⁴2 уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы, то в результате α -распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы меньше, а массовое число на 4 единицы меньше:

 

(1)

 

β ^{- _} распад: масса β -частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы, поэтому испускание β -частицы не изменяет массовое число ядра. Следовательно, в результате β -распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу большим, и с тем же массовым числом:

 

(2)

 

( - символ частицы, именуемый антинейтрино).

β⁺-распад: уравнение выглядит так:

(3)

 

( e⁰ - символ позитрона).

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонов ядра элементов должны содержать также позитроны и электроны, поскольку многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают эти частицы. Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как позитроны, так и электроны.

Однако если позитроны и электроны в «готовом» виде в ядре неприсутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново в результате превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов превращается в протон. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается и в других процессах.

Наконец, обсудим γ-излучение (электромагнитные волны), при испускании которого ядронекоторого элемента переходит из возбужденного в невозбужденное состояние (рис. 2). Излучающийся при этом квант электромагнитного излучения высокой частоты и малой длины волны называется γ-квантом.

Рис.2

 

При взаимодействии радиоактивного излучения с веществом оно проявляет проникающую и ионизирующую способность. Ионизирующая способность численно равняется среднему числу пар ионов, образующихся при движении радиоактивной частицы в веществе на еди­нице длины пробега. Проникающая способность — это расстояние, которое проходит частица в веществе до того момента, когда ее энергия станет равной средней энергии теплового хаотического движения окружающих ее частиц вещества (для α - и β -излучений). Для γ -излучения проникающая способность оценивается расстоянием, после прохождения которого поток γ -излучения уменьшается в определенное число раз [иногда для оценки принимают расстояние, на котором первоначальная интенсивность уменьшается в е (е=2,71...) раз, иногда — то, на котором она уменьшается в 10 раз].