Радиоактивность

Анри Беккерель в 1896 г. открыл радиоактивность природного урана. Любой элемент периодической системы Менделеева состоит из нескольких видов атомов. Ядра при одном и том же числе протонов могут иметь различное число нейтронов и, соответственно, разные массовые числа. Нуклоны с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами называются изотопами. Например, природный уран имеет три изотопа. 234 U, 235 U, 238 U. В настоящее время известно около 3000 изотопов. Одни из них -стабильные (276, принадлежащие 83 природным элементам), другие - неустойчивые, радиоактивные. Многие элементы с атомными номерами больше, чем у свинца(Z = 82) являются радионуклидами. Радиоактивность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов обладают способностью самопроизвольно превращаться в другие элементы с испусканием альфа, бета-частиц и гамма-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента. Само явление радиоактивности обусловливается только внутренним строением ядра атома и не зависит от внешних условий (температура, давление и т.д.).

Естественная радиоактивность . Естественные радиоактивные изотопы составляют небольшую часть от всех известных изотопов. В земной коре, воде и воздухе встречается около 70 радионуклидов. Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно, благодаря радиоактивному распаду, переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. В природе существуют три радиоактивных ряда (семейства): урана, актиноурана и тория.

Искусственная радиоактивность. Искусственную радиоактивность впервые открыли Ирен и Фридерик Жолио – Кюри в 1934 году. С радиологической точки зрения особых отличий между естественной и искусственной радиоактивностью нет; искусственные радиоактивные изотопы получают в ядерных реакциях. Ядерные превращения можно наблюдать при бомбардировке частицами (нейтронами, протонами, альфа – частицами и др.) ядер мишени. Большая часть радиоактивных изотопов получена искусственно в ядерных реакторах и ускорительных установках в результате взаимодействия ионизирующих излучений со стабильными изотопами.

При радиоактивном распаде различают следующие типы превращений:

альфа-распад, бета-распад, электронный захват (К-захват), изомерный переход и спонтанное деление.

Альфа-распад . Явление альфа – распада впервые наблюдалось при изучении естественной радиоактивности. Альфа - распад распада характерен для ядер элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева. При альфа-распаде радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положительный заряд и четыре атомные единицы массы. Изменяясь, превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы.

Бета-распад . При бета-распаде ядра могут испускать электроны (е -) - электронный распад или позитроны (е +) – позитронный распад. Позитрон в отличие от электрона имеет положительный заряд, но равную с ним массу. В результате электронного распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увеличивается на единицу, ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше. В результате позитронного распада массовое число ядра остается также без изменения, а заряд уменьшается на единицу; ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу меньше. Позитронный распад характерен только для незначительной части искусственных радионуклидов. Испускаемые при бета-распаде электроны и позитроны называются бета-частицами. Кроме бета-частиц ядро испускает нейтрино («нейтрончик», так назвал эту частицу Ферми) - незаряженную частицу с массой, близкой к нулю. Процесс альфа и бета – распада часто сопровождается гамма – излучением.

Электронный захват (К-захват). У некоторых радионуклидов атомное ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. Это явление является родственным позитронному распаду. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу. Процесс захвата электрона с К-оболочки атома называют еще К-захватом.

Процесс электронного захвата сопровождается излучением характеристического рентгеновского излучения.

Изомерный переход. Изомерный переход в радиоактивном источнике - переход ядра (который называется изомером) из возбужденного состояния в основное путем испускания фотона гамма-излучения, при котором не изменяются ни атомный номер, ни массовое число. Изомерный переход является одним из видов радиоактивного распада.

Спонтанное деление. При спонтанном делении ядро самопроизвольно распадается на осколки средней массы, которые в свою очередь могут распадаться с испусканием бета-частиц и гамма-квантов. Этот процесс происходит только с тяжелыми ядрами. Все типы ядерных превращений, происходящих при радиоактивном распаде, сопровождаются испусканием ионизирующих излучений.

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 α-, β- и γ-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 α-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 - α-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-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 ос-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.

Примечание

Литература

Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 351-353.

Вопросы.

1. Что происходит с радием в результате α-распада?

При распаде радия Ra (металл) происходит его превращение в радон Ra (газ) с испусканием α- частиц.

2. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?

При α- и при β- распаде происходит превращение одного химического элемента в другой.

3. Какая часть атома — ядро или электронная оболочка — претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?

При радиоактивном превращении претерпевает изменение ядро атома, т.к. именно ядро атома определяет его химические свойства.

4. Запишите реакцию α-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.

5. Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед буквенным обозначением элемента?

Они называются массовое и зарядовое число.

6. Чему равно массовое число? зарядовое число?

Массовое число равно целому числу атомных единиц массы данного атома.
Зарядовое число равно числу элементарных электрических зарядов ядра данного атома.

7. На примере реакции а -распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.

Закон сохранения массового числа и зарядов гласит, что при радиоактивных превращениях величина суммы массовых чисел атомов и суммы зарядов всех частиц участвующих в превращениях - величина постоянная.

8. Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?

Был сделан вывод, что ядра атомов имеют сложный состав.

9. Что такое радиоактивность?

Радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Упражнения.

1. Определите массу (в а. е. м. с точностью до целых чисел) и заряд (в элементарных зарядах) ядер атомов следующих элементов: углерода 12 6 C; лития 6 3 Li; кальция 40 20 Ca.

2. Сколько электронов содержится в атомах каждого из химических элементов, перечисленных в предыдущей задаче?

3. Определите (с точностью до целых чисел), во сколько раз масса ядра атома лития 6 3 Li больше массы ядра атома водорода 1 1 Н.

4. Для ядра атома бериллия 9 4 Be определите: а) массовое число; б) массу ядра в а. е. м. (с точностью до целых чисел); в) во сколько раз масса ядра больше 1/12 массы атома углерода 12 6 С (с точностью до целых чисел): г) зарядовое число; д) заряд ядра в элементарных электрических зарядах; е) суммарный заряд всех электронов в атоме в элементарных электрических зарядах; ж) число электронов в атоме.

5. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, определите массовое число и заряд ядра химического элемента X, образующегося в результате следующей реакции β-распада:

14 6 C → X + 0 -1 e,