Радиоактивность

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента (см. Изотопы). Оно сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер гелия (аα-частиц).

Радиоактивное семейство тория-232

Французский ученый Антуан Беккерель летом 1835 г. в Венеции наблюдал исключительную по красоте фосфоресценцию Адриатического моря. Спустя 61 год это явление послужило одной из путеводных нитей, позволивших его внуку Анри Беккерелю открыть явление радиоактивности. Лучи, обнаруженные В. Рентгеном в 1895 г., также привлекли внимание Анри Беккереля тем, что они вызывали фосфоресценцию различных веществ. Возникло предположение, что фосфоресценция, в свою очередь, сопровождается испусканием рентгеновских лучей. Желая проверить это предположение, Анри Беккерель исследовал двойную соль уранила и калия - сильно фосфоресцирующее соединение. Оказалось, что оно и без предварительного освещения испускает лучи ранее неизвестной природы.

Это наблюдение Анри Беккерель сделал 1 марта 1896 г. Спустя несколько месяцев он выяснил: ответственным за испускание новых лучей является элемент уран - в то время самый последний элемент периодической системы химических элементов.

М. Склодовская-Кюри назвала эти лучи радиоактивными, а само явление их испускания - радиоактивностью. Она же обнаружила это явление у тория и вместе с мужем П. Кюри выделила из урановых минералов два новых радиоактивных элемента - полоний и радий. Начиная с 1899 г. различные ученые стали обнаруживать новые радиоактивные вещества все в больших количествах, например актиний, эманации (см. Радон) и др. Как правило, эти вещества имели очень короткие периоды полураспада (время, за которое распадается половина любого радиоактивного вещества), и потому ученые даже сомневались, являются ли эти вещества химическими элементами в обычном понимании. Тем более что число свободных мест в периодической системе между висмутом и ураном было весьма ограниченно.

Огромный вклад в изучение радиоактивности внес английский ученый Э. Резерфорд. Вместе с английским радиохимиком Ф. Содди он доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольным превращением химических элементов. Например, радий, испуская аα-частицу, превращается в радон. К 1913 г. обилие радиоактивных веществ (около 40) было сведено в три радиоактивных семейства, представляющих собой цепочки последовательных превращений родоначальников рядов (урана-238, урана-235 и то-рия-232) в стабильный свинец (см. Радиоактивные элементы). Среди радиоактивных веществ оказалось несколько групп веществ, химически неразличимых, но разных по массе. Они были названы изотопами. Открытие радиоактивных элементов фактически было открытием отдельных естественных радиоактивных изотопов: ведь все члены радиоактивных семейств являются изотопами урана, тория, протактиния, актиния, радия, радона, полония, свинца. В то же время все стабильные элементы были открыты как природные смеси изотопов.

Существует несколько видов радиоактивных превращений. Это осα-распад (испускание осα-частицы), β^-- распад (испускание электрона) и спонтанное деление ядер. Испускание γ-лучей не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращения элементов), а представляет собой электромагнитное излучение малых длин волн. Эти виды радиоактивных превращений наблюдаются в природе.

В 1934 г. супруги И. и Ф. Жолио-Кюри обнаружили явление искусственной радиоактивности. В результате ядерных реакций могут быть получены искусственные радиоактивные изотопы всех элементов периодической системы. Их известно теперь более 1500. Изучение искусственных радиоизотопов позволило обнаружить новые виды радиоактивных превращений: испускание позитрона, или β⁺-распад, и К-захват (поглощение ядром электрона с ближайшей электронной К-оболочки) (см. Атом). Предсказана возможность протонной (испускание протона) и двухпротонной (испускание двух протонов одновременно) радиоактивности.

Радиоактивное семейство урана-238

Явление радиоактивности характеризуется тремя факторами: 1) скоростью радиоактивного распада; 2) видом испускаемых частиц и 3) их энергией. Скорость распада выражается простой математической формулой:

В ней N_t - число атомов радиоактивного элемента в момент времени t; N₀-число атомов в начальный момент времени (t = 0), е - основание натуральных логарифмов, а λ - это так называемая постоянная радиоактивного распада. Она связана с периодом полураспада T соотношением:

Величины периодов полураспада известных радиоактивных изотопов заключаются в очень широком временном интервале - от тысячных долей секунды до миллиардов лет. Однако большинство изотопов характеризуются периодами полураспада от 30 с до 10 дней.

Радиоактивное семейство урана-235

Самый распространенный вид радиоактивных превращений - испускание электронов, или β^--распад. Он свойствен 45% всех известных радиоактивных изотопов и наблюдается у ядер с. избытком нейтронов, т.е. у тяжелых радиоактивных изотопов элементов. Более 15% радиоактивных ядер распадаются путем испускания ос-частиц; a-распаду подвергаются изотопы элементов конца периодической системы (начиная с висмута), а также некоторых элементов ее середины (начиная с редкоземельных). Для более легких элементов аα-распад энергетически невозможен.

Спонтанное деление в природе встречается у изотопов ²³⁸U и ²³²Th; оно становится существенным у изотопов трансурановых элементов по мере роста Z-заряда атомного ядра.

Позитронный распад и К-захват наблюдаются лишь у искусственных радиоактивных изотопов и характерны для ядер с недостатком нейтронов. Около 10% изотопов подвержены β⁺-распаду (в основном это изотопы элементов первой половины периодической системы). На долю электронного захвата приходится примерно 25% наблюдавшихся радиоактивных превращений (они свойственны изотопам элементов второй половины таблицы Менделеева, в атомах которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру).

Изучение радиоактивности сыграло огромную роль в создании современных представлений о строении и свойствах материи.