Радиоактивность

Радиоактивность

Как и многие другие явления в физике, радиоактивность была обнаружена случайно.

История открытия

Радиоактивность

Антуан Анри Беккерель

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл лучи, обладающие огромной проникающей способностью и названные в его честь рентгеновскими.  Эти лучи представляли собой поток электронов, который испускался катодом (отрицательно заряженным электродом) электронно-вакуумной трубки во время высоковольтного разряда. Ударяясь в анод (положительно заряженный электрод) они вызывали жёлто-зелёное свечение.

Так как явление люминесценции (свечения вещества) всегда сопровождает рентгеновское излучение, то у французского физика Антуана Анри Беккереля, дед и отец которого также были известными учёными-физиками, возникла мысль, не является ли люминесценция причиной возникновения рентгеновских лучей.

Нужно сказать, что Беккерель изучал различные светящиеся вещества и знал, что светиться они начинают, только если на них предварительно воздействовать солнечным светом. Его опыт состоял в следующем. Завернув в плотную чёрную бумагу фотографическую пластинку, учёный положил на неё уранилсульфат калия и подверг воздействию солнечных лучей. Проявив через несколько часов фотопластинку, он обнаружил на ней очертания кристаллов соли и решил, что урановая соль испускает рентгеновские лучи.

Но вскоре Беккерель понял, что ошибся. Во время следующего опыта на фотопластинку был положен медный крест, покрытый урановой солью. Так как небо в этот день было затянуто тёмными тучами, то проводить эксперимент не представлялось возможным. Пришлось спрятать пластинку в ящик стола. Непогода длилась несколько дней. Не дождавшись хорошей погоды, Беккерель проявил пластинку. Каково же было его удивление, когда он обнаружил на ней очертания креста. Значит, вовсе не люминесценция была причиной неизвестного излучения.

Впоследствии выяснилось, что пластинку засвечивали только вещества, содержащие уран. Кроме того, оказалось, что излучение чистого урана в несколько раз выше излучения его солей. Лучи назвали лучами Беккереля. Позднее супруги Кюри обнаружили, что такие же лучи способен излучать и химический элемент торий, а также открытые ими элементы полоний и радий.

Природа радиоактивности

Радиоактивность

Радиоактивный распад 

Изучая открытое Беккерелем излучение, физики выяснили, что большинство существующих ядер нестабильны и способны распадаться и превращаться в ядра других, более стабильных, элементов, испуская при этом частицы, которые обладают большой проникающей способностью. Этот процесс называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью, а вещества, содержащие радиоактивные ядра, - радиоактивными.

В результате распада ядер одного вещества образуются ядра совершенно нового вещества.

Ядро, подвергающееся радиоактивному распаду, называют материнским, а ядро, возникшее в результате распада, - дочерним. Дочернее ядро более устойчиво, чем материнское. Однако оно тоже может оказаться радиоактивным и через некоторое время распадётся. Процесс распада может продолжаться до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Наиболее устойчивы ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Лёгкие и тяжёлые ядра менее устойчивы. Для элементов с порядковым номером Z (зарядовым числом, или количеством протонов в ядре), превышающим 82, и массовым числом А ˃ 209 стабильных ядер не существует вообще. Все эти элементы радиоактивны. Но и среди лёгких элементов встречаются такие, у которых нет стабильных изотопов, или имеющие и стабильные, и радиоактивные изотопы.

Виды радиоактивного распада

Радиоактивность

Виды радиоактивного излучения

Ядра радиоактивных элементов самопроизвольно испускают 3 типа лучей, которые по-разному отклоняются в электромагнитном поле. Поток частиц, ведущих себя как положительно заряженные частицы, назвали альфа-лучами. Поток частиц, отклоняющихся, как отрицательно заряженные частицы, получил название бета-лучей.  Третий поток, на который поле не оказывало влияния, был назван гамма-излучением.

Альфа-распад

Радиоактивность

В процессе альфа-распада из ядра вылетают α-частицы, каждая из которых состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов и представляет собой ядро элемента гелия 42Не. В результате ядро, имеющее зарядовый номер Z и массовое число А превращается в ядро элемента с зарядовым числом Z – 2 и массовым числом А – 4. Элемент сдвигается на 2 клетки влево в таблице Менделеева.

Пример α-распада радия:

Радиоактивность 

Бета-распад

Радиоактивность

Бета-излучение – это поток электронов. Откуда же они берутся в ядре, которое состоит из протонов и нейтронов?                                                                                                                                                   Оказывается, не несущий заряда нейтрон может превращаться в протон, излучая электрон. Но так как суммарная энергия возникших протона и электрона меньше энергии нейтрона, из которого они образовались, то возникло предположение, что часть энергии забирает какая-то частица. Эту частицу назвали нейтрино (от итальянского neutrino — нейтрончик). Её обнаружили только в 1953 г. Позднее физики определили, что существует несколько разновидностей нейтрино: электронное нейтрино/электронное антинейтрино, мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино, тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино.

При β-распаде образуется электронное антинейтрино.

Так как зарядовое число Z становится равным Z + 1, то элемент сдвигается на единицу вправо в таблице Менделеева.

К примеру, в результате бета-распада изотоп тория превращается в элемент палладий:

Радиоактивность 

Бета-распад называют также электронным распадом, или бета-минус-распадом.

В 30-е годы ХХ века физики открыли бета-плюс-распад, или позитронный распад, в результате которого из ядра вылетают античастица позитрон, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона, и электронное нейтрино. Испуская позитрон, один из протонов превращается в нейтрон. Общее количество нуклонов в ядре остаётся прежним, поэтому его массовое число не изменяется. А зарядовое число ядра уменьшается на единицу. Элемент сдвигается влево на одну позицию в таблице Менделеева.

Гамма-распад, или изомерное излучение

Радиоактивность

Испускание фотона ядром атома

Подобно атому, ядро может находиться в разных возбуждённых состояниях. Исключение составляют ядра 1H, 2H, 3H и 3He.

При возврате из возбуждённого состояния в основное излучается γ-квант. Гамма-излучение сопровождает все типы радиоизлучений.

Ядер, излучающих только γ-частицы, в природе очень мало. Их называют изомерами. И если большинство ядер могут оставаться в возбуждённом состоянии наносекунды, то изомеры – сутки, месяцы и даже годы. Чаще всего изомеры переходят из возбуждённого состояния в основное, излучая только γ-кванты. Но для них возможен β- и α-распад. 

Гамма-кванты – это фотоны с высокой энергией. Таким образом, γ-излучение – это жёсткое, коротковолновое электромагнитное излучение. Его свойства близки к свойствам рентгеновского излучения, но проникающая способность гораздо выше.

Γамма-излучение не изменяет ни зарядового, ни массового чисел ядра.

Закон радиоактивного распада

Опытным путём было установлено, что число радиоактивных атомов в веществе со временем уменьшается, они распадаются.

Зависимость числа ядерных распадов в единицу времени от количества радиоактивных атомов в образце вещества отражает основной закон радиоактивности, названный законом радиоактивного распада:

dN/dt = - λN,

где N – число радиоактивных атомов в образце вещества;

t – интервал времени;

λ – постоянная распада, характеризующая вероятность радиоактивного распада в единицу времени. Знак минуc говорит о том, что со временем число радиоактивных атомов уменьшается.

Решением этого дифференциального уравнения является выражение:

N(t) = N0e-λt,

где N0 – количество атомов в начальный момент времени.

Время, в течение которого первоначальное количество радиоактивных ядер образца уменьшается в 2 раза, называют периодом полураспада Т1/2. По истечении этого времени начинается распад оставшейся половины вещества. Через время Т1/2 останется ¼ от первоначального числа атомов и т.д .

Величина периода полураспада имеет разное значение для разных элементов. К примеру, половина ядер радия 88Ra226 распадётся через 1620 лет, а радия 88Ra219 - всего через 0, 001 секунды. Период полураспада радона 86Rn222 равен 3,8 суток, а урана 92U238 – 4,5 млрд. лет.

Т1/2 = ln2/λ

Единица радиоактивности в системе СИ называется беккерель (Бк). 1 Бк – это активность элемента, распадающегося со скоростью 1 распад в секунду.

Радиоактивность и человек

Очень часто мы путает понятия радиоактивность и радиация. Радиация – это ионизирующее излучение, т. е. распространение энергии в виде волн или частиц. А радиоактивность – это способность атомов испускать эту самую радиацию. Все радиоактивные вещества - источники радиации.

Радиоактивность существующих в природе неустойчивых изотопов, называют естественной радиоактивностью. Источниками естественной радиации являются космические объекты, почва, вода, горные породы. Любой предмет или материал также может быть источником радиации, если содержит неустойчивые радиоактивные изотопы.

Искусственной называют радиоактивность изотопов, которые образуются в результате ядерных реакций.

Воздействию радиации мы подвергаемся постоянно. Влияние радиоактивного излучения на организм человека зависит от интенсивности этого излучения. Если она находится в пределах безопасности, то вреда человек не получит. Другое дело, если доза облучения велика. В этом случае здоровью человека может быть нанесён непоправимый вред.

Открытие радиоактивности имело огромное значения для дальнейшего развития науки. Человек научился использовать радиоактивное излучение в медицине, промышленности, военном деле, энергетике и других областях своей деятельности.