Радиоактивное излучение и его свойства.

Французский физик А. Беккерель в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвест­ной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проника­ло сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Беккерель показал, что все соединения урана обладают свойством самопроизвольного излучения, и интенсивность этого излучения зависит от содержания в соединении урана. Это излучение не зависит от температуры в интервале от – 200⁰ С до +200⁰ С.

Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри – Мария и Пьер – обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсив­ность излучения урана. Им удалось выделить два новых элемента –полоний и радий .

Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением,а само явле­ние – испускание радиоактивного излучения – радиоактивностью. Дальнейшие опыты показали, что радиоактивные свойства элемента обусловлены структурой его ядра.

В настоящее время под радиоактивностьюпонимают способность некоторых атом­ных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную(наблюдается у неустойчивых изотопов, существу­ющих в природе) и искусственную(наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактив­ности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Работу по исследованию явления радиоактивности продолжил Резерфорд, который поставил задачу выяснить природу радиоактивных лучей. Для этого он использовал метод отклонений в магнитном поле. Оказалось, что излучение, даваемое радиоактивным веществом, в магнитном поле разделяется на три компонента. Они были названы лучи.

a-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, погло­щаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). a-Излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд a-частицы равен +2е, амасса совпадает с массой ядра изотопа гелия . Скорость a-частиц м/с.

b-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способ­ность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у a-частиц. b-Излучение представляет собой поток быстрых электронов, скорость которых . Оно сильно рассеивается в веществе.

g-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает от­носительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей спо­собностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. g-Излучение представляет собой корот­коволновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l<10^-10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – g-квантов (фотонов).

Под радиоактивным распадом,или просто распадом,понимают естественное радиоак­тивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. При радиоактивном превращении происходит изменение строения и состава исходного ядра, причем это изменение определяется внутриядерными процессами. Атомное ядро, испытыва­ющее радиоактивный распад, называется материнским,возникающее ядро – дочерним.

Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:

, (21.1)

где - постоянная для данного радиоактивного вещества, называемая постоянной радиоактивного распада. Знак минус указывает, что число нераспавшихся ядер со временем убывает.

Разделим переменные в (21.1): и проинтегрируем полученное выражение: ; . Тогда: , (21.2)

где N₀ – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

Формула (21.2) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Период полураспада – промежуток времени, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда, согласно (21.2), , откуда: .

Для разных элементов этот промежуток времени различен. Для радия Ra: =1590 лет; для радона Rn: =3,8 дня.

Среднее время жизни t радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l: .

Активность радиоактивного элемента определяет число ядер, распавшихся за единицу времени:

.

Единица активности в СИ – беккерель (Бк): 1 Бк – активность ядра, при которой за 1 с происходит один акт распада.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с законами сохранения массового числа и электрического заряда. Эти законы позволяют установить «правила смещения», по которым можно определить, какой элемент возникает в результате радиоактивного превращения.

a-Распад. Превращение атомных ядер, сопровождаемых испусканием a-частиц (ядер атомов гелия ), называется a-распадом. Если символом обозначить материнское ядро, то превращение этого ядра при a-распаде происходит по схеме:

, (22.1)

где – символ дочернего ядра; – g-квант, испускаемый ядром , находящимся в возбужденном состоянии. Как видно из (22.1), a-распад уменьшает массовое число на 4, а заряд ядра – на 2 элементарных положительных заряда, то есть происходит перемещение химического элемента на две клетки влево в периодической системе элементов Менделеева. Например, .

Процесс a-распада состоит из двух стадий: образования a-частицы в ядре атома и испуска­ния ее ядром. Устойчивость виртуального образования из двух протонов и двух нейтронов есть следствие насыщения ядер­ных сил. На образовавшуюся a-частицу в ядре действуют как ядерные силы притяжения, так и кулоновские силы отталкивания. Образовавшаяся a-частица подвер­жена меньшему действию ядерных сил, но большему действию кулоновских сил, чем отдельные протоны, входящие в состав a-частицы.

–Распад. Исследования показали, что радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов. Массовое число при b-распаде не изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу:

.

Следовательно, новый химический элемент перемещается на одну клеточку вправо в периодической системе Менделеева. Раз не изменяется массовое число, следовательно, не должен изменяться суммарный спин всех ну­клонов в ядре, но электрон, обладающий спином , должен изменять спин ядра. Однако при b-распаде не происходит изменения спина ядра. В.Паули предположил, что вместе с элек­троном из ядра должна вылететь еще одна частица, получившая название нейтрино (v). Она не имеет заряда и массы покоя, но должна иметь спин, равный спину электрона . При одновременном вылете из ядра элек­трона и нейтрино возможно, что их спины ориентированы во взаимно про­тивоположных направлениях, поэтому суммарный спин ядра не изменяется.

По современным представлениям, существует три разновидности b-распада: электронный (b^–-распад); позитронный (b⁺-распад); К-захват. Частица, испускаемая при позитронном распаде, называется нейтрино (v), а при электронном – антинейтрино ( ).

b^–-распад протекает по схеме: .

Например, по теории Ферми, в ядре возможны превращения нуклонов, в результате которых появляются электроны и антинейтрино: .

b⁺-распад протекает по схеме: ,

где –позитрон. Этот вид распада возможен тогда, когда в ядре один из протонов превращается в нейтрон. В результате появляется позитрон и нейтрино: . На протекание этой реакции затрачивается энергия, так как масса нейтрона больше массы протона.

В случае К-захвата (или электронного захвата) возбужденное ядро захватывает электрон К-оболочки атома, при этом один из протонов ядра превращается нейтрон и возникает нейтрино:

.

В случае К-захвата происходит испускание характеристического рентгеновского излучения.