Радіоактивність, її властивості
Вивчаючи 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 (єдина жінка, яка була нагороджена двома Нобелевськими преміями) зайнялися вивченням беккерелевих променів і 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 чотири рази більша інтенсивності солей урану. В 1898 р. подружжя Кюрі відкрили два елементи - полоній і радій, які випускали відкрите Беккерелем випромінювання.
М. Складовська-Кюрі, П. Кюрі та Е. Резерфорд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. У магнітному полі потік беккерелевих променів поділяється на три частини -компоненти, які названі альфа бета і гамма променями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радіоактивними, а властивість речовин випромінювати промені назвали радіоактивністю або радіоактивним розпадом. Було встановлено, що при розпадах утворюються ядра нових елементів.
Альфо-випромінювання. Надалі Резерфорд, Кюрі та їх співробітники довели, що а-частинки становлять ядра гелію тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електрона завдяки двом протонам, та масу, яка в чотири рази більша, ніж маса ядра атома водню завдяки двом протонам і двом нейтронам.
Бета-випромінювання. Воно 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 П. Дираком в 1930 р. та експериментальне Андерсоном в 1932 р. при дослідженні космічних променів в камері Вільсона, що була вміщена у магнітне поле. Принципове пояснення дивовижного факту вильоту з ядра електронів і позитронів в той час, коли, як добре відомо, ядро складається лише з протонів та нейтронів, дав Е. Фермі в 1934 р. За Е. Фермі, бета-випромінювання відбувається внаслідок самодовільного перетворення частинок ядра - нуклонів (цю назву, що об'єднує протони і нейтрони всередині ядра, запропонував В. Гейзенберг) за такими схемами:
(8.5)
Тут використані такі позначення: - нейтрон, - протон, - електрон, - позитрон, - 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. Слід зазначити, що термін бета-випромінювання асоціюється, як правило, з електронами.
Існує ще один процес, який відносять також до бета-розпаду - електронне /Г-захоплення, при якому відбувається взаємне перетворення нуклонів ядра:
(8.6)
За цим процесом електрон, що знаходиться на найближчій до ядра К-орбт захоплюється ядром, в результаті чого протон перетворюється в нейтрон і випромінюється нейтрино. При К-захопленні (значно рідше відбуваються процеси L- і М-захоплення, тобто поглинання ядром електронів з або М- оболонок) число протонів Z, яке визначає порядковий номер хімічного елемента, зменшується на одиницю. Внаслідок такого процесу утворюється ядро елемента, який розташований в періодичній системі Менделєєва на попередньому місці, як це спостерігається при позитронному розпаді. Прикладом такого перетворення хімічних елементів внаслідок К-захоплення є реакція
Треба зауважити, що фізики досить довго мали труднощі з поясненням неперервного спектру бета-випромінювання (рис. 8.6). Дійсно, здавалося зовсім незрозумілим з погляду закону збереження енергії, як при фіксованих енергіях протона і нейтрона енергія бета-частинки може змінюватися в досить широких межах, а не бути фіксованою.
Рис. 8.6. Крива розподілу кількості частинок N за енергією Е.
При фіксованій енергії бета-частинки її спектр мав би бути, звичайно, лінійчатим. Висловлювалось навіть таке припущення, що при розпадах може не виконуватися закон збереження енергії. Ллє згодом Е. Фермі знайшов вірне пояснення неперервному спектрові бета-випромінювання, припустивши наявність ще однієї частинки - нейтрино (при позитронному розпаді) та антинейтрино (при електронному розпаді). Саме Е. Фермі ввів термін "нейтрино", що означає "маленький нейтрон", хоча гіпотезу про можливість існування такої нейтральної частинки висловив В. Паулі в 1930 p., тобто за чотири роки до теорії розпаду Е. Фермі. Фіксована різниця енергій протона і нейтрона перерозподіляється між , частинками та нейтріно і антинейтріно, причому кутирозльоту цих частинок не с постійними і в кожному акті розпаду вони змінюються. Ці теоретичні та експериментальні факти підтверджують неперервність спектру частинок.
Гамма-випромінювання. Воно, 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 фотона при гамма-випромінюванні може бути знайдена за відомою формулою Бора-Зоммерфельда:
(8.7)
де - різниця енергій стаціонарних рівнів ядра атома, між якими відбувається перехід нуклонів. Звичайно, частота та відповідно довжина хвилі гамма-випромінювання визначається цією енергією Так, при енергії променів в 0.5 МеВ довжина їх хвилі дорівнює
Слід підкреслити такі факти: 1) гамма-випромінювання не спричинює зміни порядкового номера хімічного елемента через нульовий заряд квантів, тобто тільки за рахунок гамма-випромінювання не може відбутися перехід ядер одного елемента в ядра іншого елемента; 2) гамма-випромінювання відбувається одночасно з іншими радіоактивними перетвореннями - розпадом, всіма типами розпаду (електронним, позитронним і електронним К-захопленням), спонтанним діленням атомних ядер тощо.
Таким чином, радіоактивність - це такий процес, внаслідок якого відбуваються: а) самодовшьне перетворення ядер одного хімічного елемента в ядра іншого елемента, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію ( розпад) або електронів і позитронів ( розпад); б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елемента короткохвильового електромагнітного випромінювання ( розпад), яке супроводжує розпади.
Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 344;