Радиоактивность это: Радиоактивность

РАДИОАКТИВНОСТЬ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри (см. РАДИЙ). При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.

Лучи Рентгена.

Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того «излучений». В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято предложение немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905) называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием. Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый тетрацианоплатинатом бария Ba[Pt(CN)

4] (раньше его называли платиносинеродистым барием). Это вещество дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см… Рентген понял возможности своего открытия: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.

Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена. Первое сообщение Рентгена

О новом роде лучей было опубликовано в «Отчетах Вюрцбургского физико-медицинского общества» 28 декабря оно было немедленно переведено и опубликовано в разных странах, выходящий в Лондоне самый известный научный журнал «Nature» («Природа») опубликовал статью Рентгена 23 января 1896.

Новые лучи стали исследовать во всем мире, только за один год на эту тему было опубликовано свыше тысячи работ. Несложные по конструкции рентгеновские аппараты появились и в госпиталях: медицинское применение новых лучей было очевидным.

Сейчас рентгеновские лучи широко используются (и не только в медицинских целях) во всем мире.

Лучи Беккереля.

Открытие Рентгена вскоре привело к не менее выдающемуся открытию. Его сделал в 1896 французский физик Антуан Анри Беккерель. Он был 20 января 1896 на заседании Академии, на котором физик и философ Анри Пуанкаре рассказал об открытии Рентгена и продемонстрировал сделанные уже во Франции рентгеновские снимки руки человека. Пуанкаре не ограничился рассказом о новых лучах. Он высказал предположение, что эти лучи связаны с люминесценцией и, возможно, всегда возникают одновременно с этим видом свечения, так что, вероятно, можно обойтись и без катодных лучей. Свечение веществ под действием ультрафиолета – флуоресценция или фосфоресценция (в 19 в. не было строгого разграничения этих понятий) было знакомо Беккерелю: ею занимались и его отец Александр Эдмонд Беккерель (1820–1891), и дед Антуан Сезар Беккерель (1788–1878) – оба физики; физиком стал и сын Антуана Анри Беккереля – Жак, который «по наследству» принял кафедру физики при парижском Музее естественной истории, эту кафедру Беккерели возглавляли 110 лет, с 1838 по 1948.

Беккерель решил проверить, связаны ли лучи Рентгена с флуоресценцией. Яркой желто-зеленой флуоресценцией обладают некоторые соли урана, например, уранилнитрат UO₂(NO₃)₂. Такие вещества были в лаборатории Беккереля, где работал. С препаратами урана работал еще его отец, который показал, что после прекращения действия солнечного света их свечение исчезает очень быстро – менее чем за сотую долю секунды. Однако никто не проверял, сопровождается ли это свечение испусканием каких-то других лучей, способных проходить сквозь непрозрачные материалы, как это было у Рентгена. Именно это после доклада Пуанкаре решил проверить Беккерель. 24 февраля 1896 на еженедельном заседании Академии он рассказал, что беря фотопластинку, завернутую в два слоя плотной черной бумаги, кладя на нее кристаллы двойного сульфата калия-уранила K

2UO₂(SO₄)2·2h3O и выставляя все это на несколько часов на солнечный свет, то после проявления фотопластинки на ней можно видеть несколько размытый контур кристаллов. Если между пластинкой и кристаллами поместить монету или вырезанную из жести фигуру, то после проявления на пластинке появляется четкое изображение этих предметов.

Все это могло свидетельствовать о связи флуоресценции и рентгеновского излучения. Недавно открытые Х-лучи можно получать намного проще – без катодных лучей и необходимых для этого вакуумной трубки и высокого напряжения, но надо было проверить, не оказывается ли, что урановая соль, нагреваясь на солнце, выделяет какой-то газ, который проникает под черную бумагу и действует на фотоэмульсию Чтобы исключить эту возможность, Беккерель проложил между урановой солью и фотопластинкой лист стекла – она все равно засветилась. «Отсюда, – заключил свое краткое сообщение Беккерель, – можно сделать вывод о том, что светящаяся соль испускает лучи, которые проникают через не прозрачную для света черную бумагу и восстанавливают серебряные соли в фотопластинке». Как будто Пуанкаре оказался прав и Х-лучи Рентгена можно получить совсем другим способом.

Беккерель начал ставить множество опытов, чтобы лучше понять условия, при которых появляются лучи, засвечивающие фотопластинку, и исследовать свойства этих лучей. Он помещал между кристаллами и фотопластинкой разные вещества – бумагу, стекло, пластинки алюминия, меди, свинца разной толщины. Результаты получались те же, что и у Рентгена, что также могло служить доводом в пользу сходства обоих излучений. Помимо прямого солнечного света Беккерель освещал соль урана светом, отраженным зеркалом или преломленным призмой. Он получил, что результаты всех прежних опытов никак не были связаны с солнцем; имело значение лишь то, как долго урановая соль находилась вблизи фотопластинки. На следующий день Беккерель доложил об этом на заседании Академии, но вывод он, как потом выяснилось, сделал неверный: он решил, что соль урана, хотя бы раз «заряженная» на свету, способна потом сама длительное время испускать невидимые проникающие лучи.

Беккерель до конца года он опубликовал на эту тему девять статей, в одной из них он писал: «Разные соли урана были помещены в толстостенный свинцовый ящик… Защищенные от действия любых известных излучений, эти вещества продолжали испускать лучи, проходящие через стекло и черную бумагу…, через восемь месяцев».

Эти лучи исходили от любых соединений урана, даже от тех, которые не светятся на солнце. Еще более сильным (примерно в 3,5 раза) оказалось излучение металлического урана. Стало очевидным, что излучение хотя и похоже по некоторым проявлениям на рентгеновское, но обладает большей проникающей способностью и как-то связано с ураном, так что Беккерель стал называть его «урановыми лучами».

Беккерель обнаружил также, что «урановые лучи» ионизируют воздух, делая его проводником электричества. Практически одновременно, в ноябре 1896, английские физики Дж. Дж.Томсон и Эрнест Резерфорд (обнаружили ионизацию воздуха и под действием рентгеновских лучей. Для измерения интенсивности излучения Беккерель использовал электроскоп, в котором легчайшие золотые листочки, подвешенные за концы и заряженные электростатически, отталкиваются и их свободные концы расходятся. Если воздух проводит ток, заряд с листочков стекает и они опадают – тем быстрее, чем выше электропроводность воздуха и, следовательно, больше интенсивность излучения.

Оставался вопрос, каким образом вещество испускает непрерывное и не ослабевающее в течение многих месяцев излучение без подвода энергии от внешнего источника Сам Беккерель писал, что не в состоянии понять, откуда уран получает энергию, которую он непрерывно излучает. По этому поводу выдвигались самые разные гипотезы, иногда довольно фантастические. Например, английский химик и физик Уильям Рамзай писал:»… физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западней, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает ее в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».

Беккерель не мог ни принять эту гипотезу, ни придумать что-то более правдоподобное, ни отказаться от принципа сохранения энергии. Кончилось тем, что он вообще на некоторое время бросил работу с ураном и занялся расщеплением спектральных линий в магнитном поле. Этот эффект был обнаружен почти одновременно с открытием Беккереля молодым голландским физиком Питером Зееманом и объяснен другим голландцем – Хендриком Антоном Лоренцем.

На этом закончился первый этап исследования радиоактивности. Альберт Эйнштейн сравнил открытие радиоактивности с открытием огня, так как считал, что и огонь и радиоактивность – одинаково крупные вехи в истории цивилизации.

Виды радиоактивных излучений.

Когда в руках исследователей появились мощные источники радиации, в миллионы раз более сильные, чем уран (это были препараты радия, полония, актиния), можно было более подробно ознакомиться со свойствами радиоактивного излучения. В первых исследованиях на эту тему самое активное участие приняли Эрнест Резерфорд супруги Мария и Пьер Кюри, А.Беккерель, многие другие. Прежде всего, была изучена проникающая способность лучей, а также действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь «лучей». Пьер Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые b-лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и b-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов.

Отклоняющиеся лучи обладали более сильной способностью проникать через различные материалы, тогда как неотклоняющиеся легко поглощались даже тонкой алюминиевой фольгой – так вело себя, например, излучение нового элемента полония – его излучение не проникало даже сквозь картонные стенки коробки, в которой хранился препарат.

При использовании более сильных магнитов оказалось, что a-лучи тоже отклоняются, только значительно слабее, чем b-лучи, причем в другую сторону. Отсюда следовало, что они заряжены положительно и имеют значительно бóльшую массу (как потом выяснили, масса a-частиц в 7740 раз больше массы электрона). Впервые это явление обнаружили в 1899 А.Беккерель и Ф.Гизель. В дальнейшем выяснилось, что a-частицы представляют собой ядра атомов гелия (нуклид ⁴Не) с зарядом +2 и массой 4 у.е. (см. УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА.). Когда же в 1900 французский физик Поль Вийар (1860–1934) исследовал более подробно отклонение a- и b-лучей, он обнаружил в излучении радия и третий вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях, это открытие вскоре подтвердил и Беккерель. Этот вид излучения, по аналогии с альфа- и бета-лучами, был назван гамма-лучами, обозначение разных излучений первыми буквами греческого алфавита предложил Резерфорд. Гамма-лучи оказались сходными с лучами Рентгена, т.е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и соответственно с большей энергией. Все эти виды радиации описала М.Кюри (см. РАДИЙ) в своей монографии «Радий и радиоактивность» (опубликована в Париже в 1904, русский перевод – 1905). Вместо магнитного поля для «расщепления» радиации можно использовать электрическое поле, только заряженные частицы в нем будут отклоняться не перпендикулярно силовым линиям, а вдоль них – по направлению к отклоняющим пластинам.

Долгое время было неясно, откуда берутся все эти лучи. В течение нескольких десятилетий трудами многих физиков была выяснена природа радиоактивного излучения и его свойства, были открыты новые типы радиоактивности.

Альфа-лучи испускают, главным образом, ядра самых тяжелых и потому менее стабильных атомов (в периодической таблице они расположены после свинца). Эти высокоэнергетичные частицы. Обычно наблюдается несколько групп a-частиц, каждая из которых имеет строго определенную энергию. Так, почти все a-частицы, вылетающие из ядер ²²⁶Ra, обладают энергией в 4,78 МэВ (мегаэлектрон-вольт) и небольшая доля a-частиц энергией в 4,60 МэВ. Другой изотоп радия – ²²¹Ra испускает четыре группы a-частиц с энергиями 6,76, 6,67, 6,61 и 6,59 МэВ. Это свидетельствует о наличии в ядрах нескольких энергетических уровней, их разность соответствует энергии излучаемых ядром g-квантов. Известны и «чистые» альфа-излучатели (например, ²²²Rn).

По формуле E = mu²/2 можно подсчитать скорость a-частиц с определенной энергией. Например, 1 моль a-частиц с Е = 4,78 МэВ имеет энергию (в единицах СИ) Е = 4,78·10⁶ эВ ґ 96500 Дж/(эВ·моль) = 4,61·10¹¹ Дж/моль и массу m = 0,004 кг/моль, откуда u » 15200 км/с, что в десятки тысяч раз больше скорости пистолетной пули. Альфа-частицы обладают самым сильным ионизирующим действием: сталкиваясь с любыми другими атомами в газе, жидкости или твердом теле, они «обдирают» с них электроны, создавая заряженные частицы. При этом a-частицы очень быстро теряют энергию: они задерживаются даже листом бумаги. В воздухе a-излучение радия проходит всего 3,3 см, a-излучение тория – 2,6 см и т.д. В конечном счете потерявшая кинетическую энергию a-частица захватывает два электрона и превращается в атом гелия. Первый потенциал ионизации атома гелия (He – e ® He⁺) составляет 24,6 эВ, второй (He⁺ – e ® He⁺²) – 54,4 эВ, это намного больше, чем у любых других атомов. При захвате электронов a-частицами выделяется огромная энергия (более 7600 кДж/моль), поэтому ни один атом, кроме атомов самого гелия, не в состоянии удержать свои электроны, если по соседству окажется a-частица.

Очень большая кинетическая энергия a-частиц позволяет «увидеть» их невооруженным глазом (или с помощью обычной лупы), впервые это продемонстрировал в 1903 английский физик и химик Уильям Крукс (1832 – 1919. Он приклеил на кончик иглы еле видимую глазом крупинку радиевой соли и укрепил иглу в широкой стеклянной трубке. На одном конце этой трубки, недалеко от кончика иглы, помещалась пластинка, покрытая слоем люминофора (им служил сульфид цинка), а на другом конце было увеличительное стекло. Если в темноте рассматривать люминофор, то видно: все поле зрения усеяно вспыхивающими и сейчас же гаснущими искрами. Каждая искра – это результат удара одной a-частицы. Крукс назвал этот прибор спинтарископом (от греч. spintharis – искра и skopeo – смотрю, наблюдаю). С помощью этого простого метода подсчета a-частиц был выполнен ряд исследований, например, этим способом можно было довольно точно определить постоянную Авогадро (см. АВОГАДРО ЗАКОН).

В ядре протоны и нейтроны удерживаются вместе ядерными силами, Поэтому было непонятно, каким образом альфа-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, может покинуть ядро. Ответ дал в 1928 американский физик (эмигрировавший в 1933 из СССР) Джордж (Георгий Антонович) Гамов). По законам квантовой механики a-частицы, как и любые частицы малой массы, обладают волновой природой и потому у них есть некоторая небольшая вероятность оказаться вне ядра, на небольшом (примерно 6·10^–12 см) расстоянии от него. Как только это происходит, на частицу начинает действовать с кулоновское отталкивание от очень близко находящегося положительно заряженного ядра.

Альфа-распаду подвержены, основном, тяжелые ядра – их известно более 200, a-частицы испускаются большинством изотопов элементов, следующих за висмутом. Известны ти более легкие альфа-излучатели, в основном, это атомы редкоземельных элементов. Но почему из ядра вылетают именно альфа-частицы, а не отдельные протоны? Качественно это объясняется энергетическим выигрышем при a-распаде (a-частицы – ядра гелия устойчивы). Количественная же теория a-распада была создана лишь в 1980-х, в ее разработке принимали участие и отечественные физики,в их числе Лев Давидович Ландау, Аркадий Бейнусович Мигдал (1911–1991), заведующий кафедрой ядерной физики Воронежского университета Станислав Георгиевич Кадменский с сотрудниками.

Вылет из ядра a-частицы приводит к ядру другого химического элемента, который смещен в периодической таблице на две клетки влево. В качестве примера можно привести превращения семи изотопов полония (заряд ядра 84) в разные изотопы свинца (заряд ядра 82): ²¹⁸Po ® ²¹⁴Pb, ²¹⁴Po ® ²¹⁰Pb, ²¹⁰Po ® ²⁰⁶Pb, ²¹¹Po ® ²⁰⁷Pb, ²¹⁵Po ® ²¹¹Pb, ²¹²Po ® ²⁰⁸Pb, ²¹⁶Po ® ²¹²Pb. Изотопы свинца ²⁰⁶Pb ²⁰⁷Pb и ²⁰⁸Pb стабильны, остальные радиоактивны.

Бета-распад.

Бета-распад наблюдается как у тяжелых, так и у легких ядер, например, у трития. Эти легкие частицы (быстрые электроны) обладают более высокой проникающей способностью. Так, в воздухе b-частицы могут пролететь несколько десятков сантиметров, в жидких и твердых веществах – от долей миллиметра до примерно 1 см. В отличие от a-частиц, энергетический спектр b-лучей не дискретный. Энергия вылетающих из ядра электронов может меняться почти от нуля до некоторого максимального значения, характерного для данного радионуклида. Обычно средняя энергия b-частиц намного меньше, чем у a-частиц; например, энергия b-излучения ²²⁸Ra составляет 0,04 МэВ. Но бывают и исключения; так b-излучение короткоживущего нуклида ¹¹Ве несет энергию 11,5 МэВ. Долго было неясно, каким образом из одинаковых атомов одного и того же элемента вылетают частицы с разной скоростью. Когда же стало известно понятно строение атома и атомного ядра, появилась новая загадка: откуда вообще берутся вылетающие из ядра b-частицы – ведь в ядре никаких электронов нет. После того как в 1932 английский физик Джеймс Чедвиком открыл нейтрон, отечественные физики Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904–1994) и Игорь Евгеньевич Тамм и независимо немецкий физик Вернер Гейзенберг предположили, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. В таком случае b-частицы должны образоваться в результате внутриядерного процесса превращения нейтрона в протон и электрон: n ® p + e. Масса нейтрона немного превышает суммарную массу протона и электрона, избыток массы, в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc², дает кинетическую энергию вылетающего из ядра электрона, поэтому b-распад наблюдается, в основном, у ядер с избыточным числом нейтронов. Например, нуклид ²²⁶Ra – a-излучатель, а все более тяжелые изотопы радия (²²⁷Ra, ²²⁸Ra, ²²⁹Ra и ²³⁰Ra) – b-излучатели.

Оставалось выяснить, почему b-частицы, в отличие от a-частиц, имеют сплошной спектр энергии, это означало, что одни из них обладают очень малой энергией, а другие – очень большой (и при этом движутся со скоростью, близкую к скорости света). Более того, суммарная энергия всех этих электронов (она была измерена с помощью калориметра) оказалась меньше, чем разность энергии исходного ядра и продукта его распада. Снова физики с толкнулись с «нарушением» закона сохранения энергии: часть энергии исходного ядра непонятно куда исчезала. Незыблемый физический закон «спас» в 1931 швейцарский физик Вольфганг Паули, который предположил, что при b-распаде из ядра вылетают две частицы: электрон и гипотетическая нейтральная частица – нейтрино с почти нулевой массой, которая и уносит избыток энергии. Непрерывный спектр b-излучения объясняется распределением энергии между электронами и этой частицей. Нейтрино (как потом оказалось, при b-распаде образуется так называемое электронное антинейтрино ) очень слабо взаимодействует с веществом (например, легко пронзает по диаметру земной шар и даже огромную звезду) и потому долго не обнаруживалось – экспериментально свободные нейтрино были зарегистрированы только в 1956 г. Таким образом, уточненная схема бета-распада такова: n ® p + . Количественную теорию b-распада на основе представлений Паули о нейтрино разработал в 1933 итальянский физик Энрико Ферми, он же предложил название нейтрино (по-итальянски «нейтрончик»).

Превращение нейтрона в протон при b-распаде практически не изменяет массу нуклида, но увеличивает заряд ядра на единицу. Следовательно, образуется новый элемент, смещенный в периодической таблице на одну клетку вправо, например: ® , ® , ® и т.д. (одновременно из ядра вылетают электрон и антинейтрино).

Другие виды радиоактивности.

Помимо альфа- и бета-распадов, известны и другие типы самопроизвольных радиоактивных превращений. В 1938 американский физик Луис Уолтер Альварес открыл третий тип радиоактивного превращения – электронный захват (К-захват). В этом случае ядро захватывает электрон с ближайшей к нему энергетической оболочки (К-оболочки). При взаимодействии электрона с протоном образуется нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино, уносящее избыток энергии. Превращение протона в нейтрон не изменяет массу нуклида, но уменьшает заряд ядра на единицу. Следовательно, образуется новый элемент, находящийся в периодической таблице на одну клетку левее, например, из получается стабильный нуклид (именно на этом примере Альварес открыл этот тип радиоактивности).

При К-захвате в электронной оболочке атома на место исчезнувшего электрона «спускается» электрон с более высокого энергетического уровня, излишек энергии либо выделяется в виде рентгеновского излучения, либо расходуется на вылет из атома более слабо связанных одного или нескольких электронов – так называемых оже-электронов, по имени французского физика Пьера Оже (1899–1993), открывшего этот эффект в 1923 (для выбивания внутренних электронов он использовал ионизирующее излучение).

В 1940 Георгий Николаевич Флеров (1913–1990) и Константин Антонович Петржак (1907–1998) на примере урана открыли самопроизвольное (спонтанное) деление, при котором нестабильное ядро распадается на два более легких ядра, массы которых различаются не очень сильно, например: ® + + 2n. Этот тип распада наблюдается только у урана и более тяжелых элементов – всего более чем у 50 нуклидов. В случае урана спонтанное деление происходит очень медленно: среднее время жизни атома ²³⁸U составляет 6,5 миллиарда лет. В 1938 немецкий физик и химик Отто Ган, австрийский радиохимик и физик Лизе Мейтнер (в ее честь назван элемент Mt – мейтнерий) и немецкий физикохимик Фриц Штрассман (1902–1980) обнаружили, что при бомбардировке нейтронами ядра урана делятся на осколки, причем вылетевшие из ядер нейтроны способны вызвать деление соседних ядер урана, что приводит к цепной реакции). Этот процесс сопровождается выделением огромной (по сравнению с химическими реакциями) энергии, что привело к созданию ядерного оружия и строительству АЭС.

В 1934 дочь Марии Кюри Ирэн Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри открыли позитронный распад. В этом процессе один из протонов ядра превращается в нейтрон и антиэлектрон (позитрон) – частицу с той же массой, но положительно заряженную; одновременно из ядра вылетает нейтрино: p ® n + e⁺ + 238. Масса ядра при этом не изменяется, а смещение происходит, отличие от b^–-распада, влево, b+-распад характерен для ядер с избытком протонов (так называемые нейтронодефицитные ядра). Так, тяжелые изотопы кислорода ¹⁹О, ²⁰О и ²¹О b^–-активны, а его легкие изотопы ¹⁴О и ¹⁵О b+-активны, например: ¹⁴O ® ¹⁴N + e⁺ + 238. Как античастицы, позитроны сразу же уничтожаются (аннигилируют) при встрече с электронами с образованием двух g-квантов. Позитронный распад часто конкурирует с К-захватом.

В 1982 была открыта протонная радиоактивность: испускание ядром протона (это возможно лишь для некоторых искусственно полученных ядер, обладающих избыточной энергией). В 1960 физико-химик Виталий Иосифович Гольданский (1923–2001) теоретически предсказал двухпротонную радиоактивность: выбрасывание ядром двух протонов со спаренными спинами. Впервые она наблюдалась в 1970. Очень редко наблюдается и двухнейтронная радиоактивность (обнаружена в 1979).

В 1984 была открыта кластерная радиоактивность (от англ. cluster – гроздь, рой). При этом, в отличие от спонтанного деления, ядро распадается на осколки с сильно отличающимися массами, например, из тяжелого ядра вылетают ядра с массами от 14 до 34. Кластерный распад также наблюдается очень редко, и это в течение длительного времени затрудняло его обнаружение.

Некоторые ядра способны распадаться по разным направлениям. Например, ²²¹Rn на 80% распадается с испусканием b-частиц и на 20% – a-частиц, многие изотопы редкоземельных элементов (¹³⁷Pr, ¹⁴¹Nd, ¹⁴¹Pm, ¹⁴²Sm и др.) распадаются либо путем электронного захвата, либо с испусканием позитрона. Различные виды радиоактивных излучений часто (но не всегда) сопровождаются g-излучением. Происходит это потому, что образующееся ядро может обладать избыточной энергией, от которой оно освобождается путем испускания гамма-квантов. Энергия g-излучения лежит в широких пределах, так, при распаде ²²⁶Ra она равна 0,186 МэВ, а при распаде ¹¹Ве достигает 8 МэВ.

Илья Леенсон

Радиоактивность — это… Что такое Радиоактивность?

                  Захват электронов происходит с одной из атомных оболочек, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват), реже — со следующих, L- и М-оболочек (L- и М-захваты), β^—-распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, в которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах (а для ядер с Z > 83, если число нейтронов больше, чем в β-стабильных ядрах, испытывающих только α-распад). β⁺-распад и электронный захват свойственны нейтронодефицитным ядрам, более лёгким, чем устойчивые или β-стабильные ядра. Энергия при β-распаде распределяется между 3 частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и конечным ядром; поэтому спектр β-частиц сплошной. Бета-радиоактивные изотопы встречаются у всех элементов периодической системы. Особенностью электронного захвата является слабая зависимость его скорости от химического состояния превращающихся атомов. Ядро захватывает электрон с какой-либо из электронных оболочек атома, а вероятность подобного захвата определяется строением не только внутренней оболочки, отдающей ядру электрон, но и (в меньшей степени) более отдалённых оболочек, в том числе и валентных. Изменение заряда ядра при β-распаде влечёт за собой последующую перестройку («встряску») электронных атомных оболочек, возбуждение, ионизацию атомов и молекул, разрыв химических связей. Химические последствия β-распада (и в меньшей степени др. радиоактивных превращений) являются предметом многочисленных исследований (см. Радиохимия).          Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (реже — 3 или 4) осколка — ядра элементов середины периодической системы. Спонтанное деление и α-распад ограничивают возможности получения новых трансурановых элементов (См. Трансурановые элементы).          Протонная и двупротонная Р. должны представлять собой самопроизвольный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием 1 или одновременно 2 протонов, проникающих сквозь кулоновский барьер путём туннельного эффекта (См. Туннельный эффект). Причиной возможности двупротонной Р. служит спаривание в ядре протонов с противоположно направленными спинами, сопровождающееся выделением энергии около 2 Мэв. В результате этого испускание из ядра одновременно пары протонов может потребовать затраты меньшей энергии, чем отрыв одного из них от другого, а в ряде случаев может идти даже с выделением энергии (причём за время > 10^-12сек), тогда как испускание одиночного протона потребовало бы, наоборот, затраты энергии.

         Трудности наблюдения протонной и двупротонной Р. обусловлены как коротким (по сравнению с др. типами Р.) временем жизни р- и 2р-радиоактивных ядер, так и тем, что эти ядра характеризуются очень сильным дефицитом нейтронов и потому могут быть получены в ядерных реакциях, сопровождающихся вылетом большого числа нейтронов и поэтому маловероятных. Протонную Р. до сих пор удалось наблюдать (см. выше) лишь при распаде не основного, а возбуждённого (изомерного) состояния ядра ^53MCo. Двупротонная Р. так же, как и двунейтронный распад, экспериментально пока не обнаружены.

         Гамма-лучи. Ядерные изомеры. Испускание γ-квантов сопровождает Р. в тех случаях, когда «дочерние» ядра образуются в возбуждённых состояниях. Время жизни ядер в таких возбуждённых состояниях определяется свойствами (Спином, Чётностью, энергией) данного уровня и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием γ-квантов. Длительность γ-переходов резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев эта длительность существенно превышает 10^—10—10^—9сек, т. е. наряду с основным состоянием данного стабильного или радиоактивного ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (изомерное) состояние. Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии: возбуждённое ядро, не излучая γ-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии возникает вторичное излучение рентгеновского и оптического диапазона вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов.          Известны изомеры, для которых преобладает не γ-излучение с образованием др. состояния того же изотопа, но распад по какому-либо из основных типов Р. Так, изомер T_1/2 = 3,7 ч) испытывает, как и основной изотоп T_1/2 = 45 сек), как и основной изотоп T_1/2 = 14 мсек) — спонтанное деление.

         Радиоактивные ряды (семейства). Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные ряды природных изотопов тяжёлых элементов, которые начинаются нуклидами ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и заканчиваются стабильными изотопами свинца ²⁰⁶РЬ, ²⁰⁷РЬ, ²⁰⁸РЬ. Многие радиоактивные изотопы могут распадаться по 2 или нескольким из перечисленных выше основных типов Р. В результате такой конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью α- и β^—-распадов. Для изотопов трансурановых элементов наиболее распространены разветвления, связанные с конкуренцией α— (реже β^—-) распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер зачастую наблюдается конкуренция β⁺-распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечётными Z и чётными А оказываются энергетически возможными два противоположных варианта β-распада: β^—-распад и электронный захват или β^—— и β⁺-распады.

         Заключение. Открытие Р. оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры вещества. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности и многих др. областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. За работы, связанные с исследованием и применением Р., было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Сиборгу, У. Либби и др.

         Лит.: Кюри М., Радиоактивность, пер. с франц., 2 изд., М. — Л., 1960; Мурин А. Н., Введение в радиоактивность, Л., 1955; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Гайсинский М. Н., Ядерная химия и ее приложения, пер. с франц., М., 1961; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961; Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973.

         В. И. Гольданский, Е. М. Лейкин.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

РАДИОАКТИВНОСТЬ — это… Что такое РАДИОАКТИВНОСТЬ?



РАДИОАКТИВНОСТЬ

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Свойство некотор. тел испускать особого рода невидимые лучи, отличающиеся особыми свойствами.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Чудинов А.Н., 1910.

радиоакти́вность

(радио… + лат. acti-vus деятельный) радиоактивный распад — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений: альфа-лучей (альфа-распад), бета-лучей (бета-распад), протонов (протонная р.), а также делением ядер. основная характеристика радиоактивности — период полураспада (см. период 8), единицей радиоактивности служит беккерель (устаревшие единицы — кюри, резер-

Новый словарь иностранных слов.- by EdwART, , 2009.

радиоактивность

[] – самопроизвольный распад атомных ядер некоторых химических элементов, сопровождающийся выделением излучения в виде потока атомных ядер гелия (альфа-лучи), потока электронов (бета-лучи), жёсткого электромагнитного излучения (гамма-лучи) и приводящий к образованию новых атомов других элементов

Большой словарь иностранных слов.- Издательство «ИДДК», 2007.

.

Синонимы:

• РАДИОЭКОЛОГИЯ
• РАДИОФОН

Смотреть что такое «РАДИОАКТИВНОСТЬ» в других словарях:

• радиоактивность — радиоактивность …   Орфографический словарь-справочник

• РАДИОАКТИВНОСТЬ — (от лат. radio излучаю, radius луч и activus действенный), способность нек рых ат. ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в др. ядра с испусканием ч ц. К радиоактивным превращениям относятся: альфа распад, все виды бета распада (с… …   Физическая энциклопедия

• РАДИОАКТИВНОСТЬ — РАДИОАКТИВНОСТЬ, свойство нек рых хим. элементов самопроизвольно превращаться в другие элементы. Это превращение или радиоактивный распад сопровождается выделением энергии в виде различных корпускулярных и лучистых радиации. Явление Р. было… …   Большая медицинская энциклопедия

• Радиоактивность — (от радио… и латинского activus деятельный), свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд ядра Z, число нуклонов A) путем испускания элементарных частиц, g квантов или ядерных фрагментов. Некоторые из… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• РАДИОАКТИВНОСТЬ — (от лат. radio испускаю лучи и activus действенный) самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра др. элементов, сопровождающееся испусканием частиц или ? кванта. Известны 4 типа радиоактивности: альфа распад, бета распад,… …   Большой Энциклопедический словарь

• Радиоактивность — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и образованием ядра другого элемента. Р. урана была впервые открыта Беккерелем в 1896 г. Несколько позднее М. и П. Кюри и Резерфордом было доказано… …   Геологическая энциклопедия

• радиоактивность — сущ., кол во синонимов: 1 • гамма радиоактивность (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы обычно другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (альфа и бетα излучение), а также гаммα излучением. Бывает естественной и… …   Морской словарь

• Радиоактивность — свойство нестабильных атомных ядер (радиоактивных изотопов) превращаться в стабильные, сопровождающееся ионизирующим излучением. Различают естественную Р. (природных изотопов) и искусственную наведённую радиоактивность. Понятие Р. связано с… …   Словарь черезвычайных ситуаций

• РАДИОАКТИВНОСТЬ — РАДИОАКТИВНОСТЬ, процесс распада ядра РАДИОИЗОТОПА, например, урана 238, обычно с выделением АЛЬФА ЧАСТИЦ (ядра гелия) или БЕТА ЧАСТИЦ (ЭЛЕКТРОНЫ), часто сопровождается ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕМ. В процессе альфа или бета распада радиоизотоп превращается… …   Научно-технический энциклопедический словарь

материалы для подготовки к ЕГЭ по Химии

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ : радиоактивность, альфа-распад, бета-распад, гамма-излучение, закон радиоактивного распада.

Явление радиоактивности обнаружил французский физик Анри Антуан Беккерель, и произошло это совершенно случайно.

В начале 1896 года всё научное сообщество было охвачено интересом к недавно открытым всепроникающим рентгеновским лучам. Беккерель решил выяснить, не появляются ли рентгеновские лучи при освещении солнечным светом некоторых минералов, и выбрал для своих экспериментов весьма редкую соль урана.

Опыт Беккереля был чрезвычайно прост. Кристаллы соли выставлялись на солнце и лежали при этом на фотопластинке. Разумеется, фотопластинка заворачивалась в чёрную бумагу, чтобы её не засветил солнечный свет. Но чёрная бумага — не помеха рентгеновским лучам, и если они действительно возникают, то засветят фотопластинку.

Итак, Беккерель положил завёрнутую фотопластинку с насыпанной поверх урановой солью на солнечный свет, подержал несколько часов и затем проявил фотопластинку. Ожидания подтвердились! После проявления на фотопластинке проступили очертания кристаллов соли урана.

Полагая, что и впрямь обнаружись рентгеновские лучи, испускаемые урановой солью под действием солнечного света, Беккерель доложил об этом на заседании Французской академии. Доклад вызвал большой интерес, и было решено, что на следующем заседании, то есть через неделю, Беккерель расскажет о результатах новых опытов.

А погода тем временем испортилась, и солнце на всю неделю скрылось за облаками. Медный крест, покрытый урановой солью и приготовленный для опытов, в ожидании солнца несколько дней пролежал в ящике письменного стола — поверх фотопластинки, завёрнутой в чёрную бумагу.

Накануне нового доклада облачность так и не рассеялась, и докладывать Беккерелю было нечего. Однако отчаяние и удачу порой разделяет лишь один шаг. Неизвестно почему, но Беккерель решил проявить фотопластинку, лежавшую в столе. Каково же было его удивление, когда он увидел проступившие на ней почернения в виде отчётливой тени креста!

Таким образом, солнце оказалось совершенно ни при чём. Было обнаружено новое явление природы: урановая соль без каких-либо внешних факторов, сама по себе испускает некоторое излучение, пронизывающее чёрную бумагу.

На следующий день Беккерель доложил об этом на заседании Французской академии и затем приступил к интенсивным исследованиям. В ходе своих экспериментов он обнаружил мследующие черты нового явления.

-Новые лучи могут проникать сквозь предметы и ионизировать воздух.
-Засвечивают фотопластинку только те вещества, которые содержат уран.
-Интенсивность излучения зависит только от количества урана в веществе. Само химическое соединение при этом роли не играет. Максимально интенсивным является излучение чистого урана.

Новое явление было впоследствии названо радиоактивностью. Из опытов Беккереля следовало, что радиоактивность есть свойство химического элемента урана самого по себе — то есть свойство, которым обладают атомы урана.

Уран оказался не единственным радиоактивным элементом. Мария Склодовская-Кюри спустя два года после открытия Беккереля обнаружила аналогичное излучение тория. Вместе с мужем, Пьером Кюри, они открыли новый радиоактивный химический элемент — полоний. Наконец, вручную переработав 11 тонн руды, Мария Склодовская-Кюри получила маленькую капельку чистого радия, который излучал в три миллиона раз интенсивнее урана.

Виды радиоактивных излучений.

Каков состав радиоактивного излучения? Оказалось, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, различающихся по своим физическим свойствам. Эти три компоненты обнаруживаются в результате пропускания радиоактивного излучения солей урана через сильное магнитное поле (рис. 1).

Рис. 1. Виды радиоактивных излучений

А именно, излучение радиоактивного препарата, находящегося внутри свинцового контейнера с узким каналом, направляется на фотопластинку. В отсутствии магнитного поля на фотопластинке наблюдается одно тёмное пятно. Но если пропустить излучение сквозь область магнитного поля, то пятен становится три — одно на прежнем месте и два по бокам от него на разных расстояниях. Это означает, что радиоактивное излучение в магнитном поле распалось на три существенно различные части.

То, что две компоненты отклонились в разные стороны, означает, что они являются соответственно потоками положительных и отрицательных зарядов. Третья компонента, не отклоняющаяся магнитным полем, электрического заряда не несёт.

Положительно заряженной компоненте была присвоена буква ; её называли -излучением, -лучами или потоком -частиц. Альфа-лучи достаточно слабо отклонялись магнитным полем. Тщательные исследования Резерфорда показали, что -частицы — это полностью ионизованные атомы гелия, то есть ядра гелия.

Отрицательно заряженная компонента была названа -излучением (или -лучами
). Они отклонялись магнитным полем значительно сильнее, чем -частицы. Бета-лучи оказались потоком электронов, мчащихся со скоростями, близкими к скорости света.

Нейтральная компонента получила название -излучения (или -лучей). (Электромагнитная природа гамма-излучения была установлена экспериментально: обнаружилась дифракция гамма-лучей на кристаллических решётках. Эти же опыты позволили измерить и длину волны гамма-излучения. Гамма-лучи оказались электромагнитными волнами чрезвычайно высокой частоты — выше, чем у рентгеновского излучения.) Соответственно, проникающая способность гамма-лучей также больше, чем у рентгеновских лучей.
Среди трёх компонент радиоактивного излучения наибольшей проникающей способностью также обладают гамма-лучи — они могут пробиться сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров. Сильнее поглощаются веществом бета-лучи: тут хватит нескольких миллиметров свинца, чтобы поглотить их полностью. Слабее всего проникают сквозь вещество -частицы: они не могут, например, пройти через лист бумаги

Радиоактивные превращения.

Многочисленные эксперименты с радиоактивными веществами показали, что радиоактивность сопровождается изменениями атомов, и в результате этих изменений одни химические элементы превращаются в другие.

Положение химического элемента в таблице Менделеева определяется числом электронов в нейтральном атоме, или, что то же самое — зарядом ядра атома. Поэтому превращения химических элементов означают, что в результате радиоактивных процессов изменения претерпевают атомные ядра.

Ядра атомов радиоактивных элементов являются нестабильными. Каждое такое ядро в некоторый момент распадается, поэтому явление радиоактивности называют ещё радиоактивным распадом.

В процессе радиоактивного распада исходное вещество постепенно исчезает. Новые вещества, являющиеся продуктами распада, также могут быть нестабильными и распадаться дальше. Наблюдаются целые цепочки радиоактивных распадов — вплоть до образования стабильных элементов.

Самой известной такой цепочкой является радиоактивное семейство урана. Начинается эта цепочка с альфа-распада ядра , в результате которого образуется ядро тория и вылетает -частица:

. (1)

Затем родившееся ядро тория испытывает бета-распад, испуская электрон и превращаясь в ядро протактиния :

. (2)

Обратите внимание, что электрону приписывается зарядовое число -1 (так как заряд электрона равен -e) и массовое число 0 (так как электрон не содержит нуклонов).

В обеих формулах (1) и (2) мы наблюдаем два важных момента.

-Сумма массовых чисел продуктов распада равна массовому числу исходного ядра. Этот баланс массовых чисел отражает неизменность общего числа нуклонов до и после распада.

-Сумма зарядовых чисел продуктов распада равна зарядовому числу исходного ядра. Этот факт служит одним из многочисленных экспериментальных подтверждений закона сохранения заряда.

Поскольку -частица уносит заряд +2e, а электрон уносит заряд -e , то возникает следующая закономерность превращения химических элементов при — и -распадах.

Правило смещения. После -распада элемент смещается на две клетки назад, то есть к началу периодической системы. После -распада элемент смещается на одну клетку вперёд, то есть к концу периодической системы.

Общие формулы, выражающие правило смещения при альфа- и бета-распадах, выглядят так:

,

.

Формулы (1) и (2) — это самое начало радиоактивного семейства урана. Всего в этой цепочке происходит восемь -распадов и шесть -распадов (причём при каждом -распаде вдобавок излучается -квант), пока в самом конце цепочки не образуется стабильное ядро свинца .

Излучение всех элементов радиоактивного семейства урана как раз и засветило фотопластинку Беккереля, и именно эта смесь излучений была впервые разложена на компоненты в магнитном поле (рис. 1).

Закон радиоактивного распада.

Нестабильное ядро распадается самопроизвольно (или, как ещё говорят, спонтанно). Происходит это в случайный момент времени, так что невозможно предсказать, когда именно распадётся каждое конкретное ядро.Тем не менее, ядра каждого элемента обладают определённым средним временем жизни, характерным для данного элемента.

А именно, опыт показывает, что распад радиоактивного элемента происходит со строго определённой, присущей именно этому элементу скоростью. Скорость распада у разных элементов различна; она является такой же неотъемлемой характеристикой радиоактивного элемента, как зарядовое или массовое число. Вне зависимости от условий опыта можно точно сказать, спустя какой промежуток времени интенсивность излучения данного элемента уменьшится, например, в два раза.

Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина имеющихся радиоактивных атомов. Период полураспада как раз и является количественной характеристикой скорости радиоактивного распада.

Величина периода полураспада может быть очень разной. Например, период полураспада урана равен 4,5 млрд. лет, радия — 1600 лет, полония -138 дней, а у инертного газа радона — он составляет всего 3,8 суток.

Выведем теперь закон радиоактивного распада, а именно — найдём, как зависит от времени количество атомов, не претерпевших пока радиоактивный распад. Начальное число радиоактивных атомов равно , период полураспада равен .

Имеем следующую простую цепочку рассуждений.

Спустя время количество оставшихся атомов будет равно

.

Спустя время атомов останется

.

Спустя время атомов останется

.

Становится ясно, что спустя время атомов останется

.

Поставляя сюда , получим:

.

Отбрасывая индекс k, находим число оставшихся атомов в зависимости от времени:

. (3).

Мы получили закон радиоактивного распада. Количество нераспавшихся атомов оказывается показательной функцией, убывающей с течением времени.

Непосредственной характеристикой скорости распада радиоактивного элемента является активность — число радиоактивных распадов, происходящих в единицу времени. Активность есть производная по времени от числа распавшихся атомов:

.

Обозначая множитель перед показательной функцией через (это будет активность в начальный момент времени), получим:

.

Мы видим, что зависимость активности от времени имеет точно такой же вид, как и закон радиоактивного распада (3). График зависимости активности от времени приведён на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость активности от времени

Ясно, что активность убывает тем быстрее, чем меньше период полураспада. И наоборот, при большом периоде полураспада активность меняется медленно. Например, активность радона (T= 3,8 суток) уменьшается буквально на глазах, а активность солей урана (T= 4,5 млрд.лет) остаётся практически неизменной на протяжении человеческой жизни.

Конспект «Радиоактивность. Излучения. Распад» — УчительPRO

Радиоактивность. Излучения. Распад

Раздел ОГЭ по физике: 4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада.

---

---

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.

Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали β-частицами.

Изучение этих излучений позволило сделать вывод, что α-частицы — это ядра атома гелия. Их массовое число — 4, а зарядовое число (электрический заряд) +2, т.е. 

β-частицы представляют собой электроны. Их массовое число равно 0, а зарядовое число равно –1, т.е. 

Радиоактивный распад

Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом. Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–излучения.

Альфа–распад. Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием альфа–частиц (ядер гелия ).

Если  – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–распаде происходит по следующей схеме (правило смещения):  , где  – символ дочернего ядра;  – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета–распад. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, согласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется:  .

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение. Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в меньшей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (например, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4 • 10⁸ атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10⁸ ядер, а 2 • 10⁸ ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10⁸ ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10⁸ ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

---

Конспект урока «Радиоактивность. Излучения».

Следующая тема: «Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома».

 

Урок 26. радиоактивность. изотопы — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 26. Радиоактивность. Изотопы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. радиоактивность;
2. активность радиоактивного вещества;
3. позитрон;
4. альфа-, бета- гамма-лучи;
5. счётчик Гейгера, камера Вильсона;
6. период полураспада;
7. изотопы и их применение.

Глоссарий по теме

Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс превращения сопровождается испусканием различных частиц.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад нестабильных ядер.

Виды радиоактивного излучения — альфа-, бета-, гамма- лучи.

Альфа – лучи это поток положительных частиц, масса и заряд которых совпадает с массой и зарядом ядра атома гелия.

Бета – лучи это поток электронов.

Гамма – лучи это электромагнитные волны высокой частоты, распространяющиеся со скоростью 300000 км/с.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Период полураспада – основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее уменьшается активность вещества.

Закон радиоактивного распада определяет среднее число ядер атомов, распадающихся за определённый интервал времени.

Газоразрядный счётчик Гейгера – это прибор для автоматического подсчёта частиц.

Камера Вильсона – устройство, в котором пролетевшая частица оставляет след — трек. По следу определяют скорость, энергию, заряд, массу частицы.

Пузырьковая камера – прибор, в котором рабочим телом является перегретая жидкость. Трек частицы – основной источник информации о поведении и свойствах частиц.

Метод толстослойных фотоэмульсий – метод, в котором используется ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки.

Изотопы – разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 310 – 327, 346 – 350.
2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.
3. Николай Алов. Мария Кюри. Подвиг длиною в жизнь. Бослен, 2013г.

Основное содержание урока

Радиоактивность – превращение нестабильных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц. Радиоактивное излучение бывает трёх видов: альфа-, бета-, гамма- лучи.

Альфа-лучи – это поток положительных частиц, представляющих собой ядра атома гелия.

Бета—лучи – это поток электронов.

Гамма-лучи – это электромагнитные волны высокой частоты.

Схема α — распада:

Схема — распада:

Период полураспада Т – это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Закон радиоактивного распада:

Искусственная радиоактивность – это возникновение радиоактивных ядер в результате захвата частиц устойчивыми ядрами нерадиоактивных элементов или в результате слияния или распада ядер.

Изотопы – разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Разбор тренировочных заданий

1. Выберите правильный ответ.

Какой порядковый номер в таблице Менделеева имеет элемент, который образуется в результате β^—-распада ядра элемента с порядковым номером Z?

Варианты ответов:

1. Z + 2;
2. Z — 1;
3. Z + 1;
4. Z — 2.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) Z + 1;

Подсказка: вспомните правило смещения.

2.Решить задачу: «В результате серии радиоактивных распадов уран превращается в свинец . При этом он испытывает ___ альфа-распадов и ___ бета-распадов».

Решение:

х – количество альфа-распадов

238 = 206 + 4х

х = 8 – альфа-распадов.

92 + 8 · 2 – 82 = 6 – бета-распадов

Ответ: 8 альфа-распадов, 6 бета-распадов.

Радиоактивность. α-, β-, γ- излуч

Радиактивный распад в электрическом поле

  Радиоактивность

Все знают, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро – это очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы. Это излучение называют радиоактивным. Оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение (альфа-, бета- и гамма-излучение).

Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.
Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации.
Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях. Он открыл две составляющие этого излучения, которые были названы α-, β-излучением. На рисунке изображено радиоактивное излучение в электрическом поле. 

• a —  излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц (ядер гелия), движущихся со скоростью около 10⁷ м/с. Вследствие положительного заряда  a – частицы отклоняются электрическим и магнитным полями.
• β — излучение — это поток быстрых электронов. Электроны —e значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. Обладают скоростью от 10⁸ м/с до0,999с. Из-за наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическим и магнитным полями в противоположную сторону по сравнению с β  – частицами.
• γ –  излучение — это фотоны, т.е. электромагнитное излучение, несущее энергию. Оно не отклоняется электрическим и магнитным полями. Параметры ядра при излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Было установлено, что проникающая способность оказалась самая малая у α- -лучей (лист бумаги или несколько сантиметров слоя воздуха),
а β-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ — лучей (например, алюминий — толщина пластины десятки сантиметров).

Итак, радиоактивность свидетельствует о сложном строении атомов.
Специальные приборы, которые применяются для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, которые обнаруживают ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Это — газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы сквозь нее виден на фотографии после проявления.
 Влияние ионизирующей радиации на живые организмы
Радиоактивное излучение оказывает сильное биологическое действие на ткани живого организма. Оно ионизирует атомы и молекулы среды. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.

Бумага задерживает только альфа-излучениеСтекло задерживает только альфа- и бета-излучениестальной лист задерживает только альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучениебетонная плита задерживает только альфа-,бета-, гамма- и и нейтронное излучениеОпределение

в кембриджском словаре английского языка

После инкубации в течение 4 ч осадки снова промывали, переносили в новые пробирки и определяли их радиоактивность . Два аспекта этого изменения и значение радиоактивности для продвинутой жизни заслуживают внимания, как подробно описано ниже.

Эти примеры взяты из Cambridge English Corpus и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Cambridge Dictionary, Cambridge University Press или его лицензиаров.

Еще примеры Меньше примеров

Значительное увеличение количества радиоактивности , включенного в замороженную-размороженную фракцию из смешанной популяции, было очевидно через 6 часов после инкубации.Результаты были рассчитаны путем выражения связанной радиоактивности в процентах от общей радиоактивности . Радиоактивность был обнаружен во всех трех промежуточных соединениях — 3-кетосфингозине, дигидросфингозине и сфингозине.В условиях высокогорья кислород и плотность воздуха снижаются, температура и влажность низкие, и наблюдается увеличение радиоактивности . Такие явления, как столкновения, , радиоактивность и термодинамика, создают новые инструменты для создания композиции с помощью этих методов ультразвуковой обработки.В указанное время были взяты образцы для анализа цитотоксичности и определения радиоактивности . .

Статья о радиоактивности по The Free Dictionary

— спонтанное превращение нестабильного изотопа одного химического элемента в другой изотоп, обычно в изотоп другого элемента. Суть радиоактивности заключается в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, которое находится либо в основном, либо в долгоживущем возбужденном (метастабильном) состоянии. Эти превращения сопровождаются испусканием элементарных частиц или других ядер, например, ² ядер He (альфа-частицы).

Все известные типы радиоактивных превращений являются результатом фундаментальных микрокосмических взаимодействий, то есть сильных взаимодействий (ядерных сил) или слабых взаимодействий. Сильные взаимодействия ответственны за те преобразования, которые сопровождаются высвобождением таких ядерных частиц, как альфа-частицы, протоны и фрагменты ядерного деления. Слабые взаимодействия наблюдаются в бета-распаде ядер. Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения между различными энергетическими состояниями одного и того же ядра.Поскольку эти переходы не связаны с изменением состава ядра, они не считаются радиоактивными превращениями согласно современной классификации. Понятие радиоактивности также было расширено и теперь включает бета-распад нейтронов.

Радиоактивность следует отличать от превращений составных ядер, образующихся в ходе ядерных реакций в результате поглощения ядерных частиц ядрами-мишенями. Время жизни таких ядер значительно превышает время пролета сталкивающихся частиц (10 ²¹ —10 ^–22 с) на расстояния порядка ядерных размеров и может достигать 10 ^–13 –10 ^–14 сек.Поэтому нижний предел времени жизни радиоактивного ядра условно принят порядка 10 ^–12 сек.

Виды радиоактивных превращений . Известные виды радиоактивности включают элементарные (одноэтапные) превращения и сложные (двухступенчатые) превращения. Элементарные превращения включают альфа-распад, все типы бета-распада (с высвобождением электрона или позитрона или с захватом орбитального электрона), спонтанное деление ядра, протонную радиоактивность, двухпротонную радиоактивность и двухнейтронную радиоактивность.В случае бета-распада довольно длительное время жизни ядра связано с природой слабых взаимодействий. Все остальные типы элементарных радиоактивных процессов вызываются ядерными силами. Замедление таких процессов до интервалов времени ≥ 10 ^–12 с обусловлено наличием потенциальных барьеров (кулоновских и центробежных), препятствующих вылету ядерных частиц.

Двухступенчатые радиоактивные превращения включают процессы, включающие как запаздывающее спонтанное деление, так и испускание запаздывающих частиц, то есть протонов, нейтронов, альфа-частиц, ядер трития и ³ He.В замедленных процессах бета-распад является предварительным этапом, который задерживает последующее мгновенное испускание ядерных частиц. Таким образом, в случае двухступенчатых процессов критерий радиоактивности по времени жизни выполняется только для первой ступени, которая возникает в результате слабых взаимодействий.

Исторический очерк . Открытие радиоактивности датируется 1896 годом, когда А. Беккерель обнаружил, что уран испускает неизвестный тип проникающего излучения, которое он назвал радиоактивным.Вскоре после этого была обнаружена радиоактивность тория, а в 1898 году Пьер Кюри и его жена Мари открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Работа этих ученых совместно с Э. Резерфордом установила существование и объяснила природу трех типов излучения радиоактивных элементов — альфа-лучей, бета-лучей и гамма-лучей. В 1903 году Резерфорд и Ф. Содди обнаружили, что испускание альфа-лучей сопровождается трансмутацией химических элементов, например, превращением радия в радон.В 1913 г. К. Фаянс (Германия) и Содди независимо сформулировали законы смещения, характеризующие смещение изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных превращениях.

В 1934 году Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирен открыли искусственную радиоактивность, которая приобрела большое значение. Из примерно 2000 известных в настоящее время радиоактивных изотопов только около 300 являются естественными; остальное получают искусственно в результате ядерных реакций.В принципе, нет никакой разницы между искусственной и естественной радиоактивностью. Изучение искусственной радиоактивности привело к открытию новых типов бета-распада — испускания позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и захвата электронов (Л. Альварес, 1938). Последнее было предсказано Х. Юкавой и С. Сакатой (Япония, 1935). Впоследствии были обнаружены сложные ядерные превращения с участием бета-распада. К ним относятся испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг и др., США, 1939), запаздывающих протонов (В.А. Карнаухов с соавторами, СССР, 1962) и запаздывающим делением ядер (Г. Н. Флеров с соавторами, 1966–71). Возможная эмиссия запаздывающих ядер ³ H и ³ He была предсказана (Е. Е. Берлович, Ю. Н. Новиков, СССР, 1969). В 1935 г. И. В. Курчатов и его сотрудники открыли явление изомерии, т. Е. Существование долгоживущих возбужденных состояний в искусственно радиоактивных ядрах.

В 1940 году К. А. Петржак и Флеров открыли спонтанное деление ядер.Существование протонной активности было предложено Резерфордом, а возможности обнаружения протонной радиоактивности, а также основные характеристики этого четвертого типа радиоактивности были рассмотрены Б. С. Джелеповым (1951, СССР). Элементарный процесс радиоактивного распада с испусканием протонов (из изомерного состояния) впервые экспериментально наблюдал Дж. Черник и его сотрудники (США, 1970). В 1960 г. В. И. Гольданский предсказал существование двухпротонной радиоактивности, а в 1971 г. Гольданский и Л.К. Пекер (СССР) предсказал двухнейтронный радиоактивный распад ядра (только из изомерного состояния).

Закон радиоактивного распада; ед. радиоактивности . Экспоненциальное уменьшение среднего числа активных ядер с течением времени характерно для процессов радиоактивного распада ядер (ядер и элементарных частиц). Этот закон отражает независимость распада одного ядра от распада других ядер. Время жизни радиоактивных ядер обычно характеризуется периодом полураспада, то есть временным интервалом T _½ , в течение которого количество радиоактивных ядер уменьшается в среднем до половины исходного числа.Поскольку время жизни отдельного ядра не определено, экспоненциальный закон распада соблюдается только в среднем и тем точнее, чем больше число вовлеченных радиоактивных ядер.

Основной единицей радиоактивности является кюри, которая первоначально определялась как активность 1 грамма радия. В дальнейшем под 1 кюри понималась активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7 × 10 ¹⁰ распадов в секунду. Широко используются дробные единицы (милликюри, микрокюри) и кратные единицы (ки-локюри, мегакюри).Еще одна единица радиоактивности — резерфорд, равная 1/3700 ​​кюри и соответствует 10 ⁶ распадам в секунду.

Альфа-распад . Альфа-распад — это спонтанное преобразование ядра посредством выброса двух протонов и двух нейтронов, которые образуют ядро ​​. В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4, например,

Кинетическая энергия испускаемой альфа-частицы определяется исходной и конечной массами ядра. и массой альфа-частицы.Если конечное ядро ​​образуется в возбужденном состоянии, кинетическая энергия несколько меньше; если же возбужденное ядро ​​распадается, кинетическая энергия будет больше. В последнем случае испускаемые альфа-частицы называются альфа-частицами дальнего действия. Энергетический спектр альфа-частиц дискретен, а период полураспада альфа-радиоактивных ядер экспоненциально связан с энергией выброшенных альфа-частиц (правило Гейгера-Наттолла). Теория альфа-распада, основанная на квантово-механическом описании проникновения через потенциальный барьер, была разработана в 1928 г. Г.Гамова и, независимо, британского физика Р. Герни и американца Э. Кондона.

Известно более 200 альфа-радиоактивных ядер. Они расположены в основном в конце таблицы Менделеева, после Pb, для которого заполнение ядерной оболочки протона завершается Z = 82. Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь альфа-распад более характерен для ядер с 84 нейтронами, которые при выбросе альфа-частиц превращаются в ядра с заполненной нейтронной ядерной оболочкой ( N = 82).Время жизни альфа-радиоактивных ядер варьируется в широком диапазоне от 3 × 10 ^–7 с (для ²¹² Po) до 2–5 × 10 ¹⁵ лет (для природных изотопов ¹⁴² Ce, ¹⁴⁴ Nd и ¹⁷⁴ Hf). Энергия наблюдаемого альфа-распада составляет от 4 до 9 мегаэлектронвольт (МэВ) — за исключением дальнодействующих альфа-частиц — для всех тяжелых ядер и от 2 до 4,5 МэВ для редкоземельных элементов.

Бета-распад .Бета-распад ( β -распад) — это спонтанное взаимопревращение протонов и нейтронов. Это происходит внутри ядра и сопровождается испусканием или поглощением электронов ( e ^— ) или позитронов ( e ⁺ ) и нейтрино ( v _e ) или антинейтрино ( v ̄ _e ):

(1) Электрон β ^— -распад: n → p _β- = e ^— + v̄ _e .Например, .

(2) Позитрон β ⁺ -распад: p → n _{β +} + e ⁺ + v _e . Например,

(3) Захват электронов: p + e ^— → n _{β +} + v _e . Например, .

Электроны захватываются с одной из атомных орбит, обычно из K-оболочки, которая находится ближе всего к ядру (K-захват), реже из последующих L- и M-оболочек (L- и M-захват).Электрон β ^— -распад характерен для нейтронно-избыточных ядер, в которых количество нейтронов больше, чем в стабильных ядрах (и ядер, где Z> 83, если количество нейтронов больше, чем количество нейтронов). в бета-стабильных ядрах, которые испытывают только альфа-распад). Позитрон β ⁺ -распад и захват электронов характерны для нейтронодефицитных ядер, которые легче стабильных или бета-стабильных ядер. Энергия бета-распада распределяется между тремя частицами: электроном или позитроном, антинейтрино или нейтрино и ядром-продуктом.Таким образом, спектр бета-частиц непрерывен. Бета-радиоактивные изотопы встречаются для всех элементов периодической системы.

Одной из характеристик электронного захвата является слабая зависимость скорости захвата от химического состояния атомов, подвергающихся преобразованию. Ядро захватывает электрон с одной из электронных оболочек атома, и вероятность захвата определяется структурой не только внутренней оболочки, переносящей электрон к ядру, но и в меньшей степени структурой более далекие оболочки, включая валентные.Изменение заряда ядра при бета-распаде приводит к последующей перестройке («скремблированию») электронных оболочек атомов, возбуждению, ионизации атомов и молекул и разрыву химических связей. Химические последствия бета-распада и, в меньшей степени, других радиоактивных превращений являются предметом многих исследований в радиохимии.

Спонтанное деление . Спонтанное деление — это спонтанный распад тяжелых ядер на два или, реже, на три или четыре фрагмента, которые являются ядрами элементов в середине периодической системы.Спонтанное деление и альфа-распад ограничивают возможности получения новых трансурановых элементов.

Протонная и двухпротонная радиоактивность . Протонная и двухпротонная радиоактивность — это спонтанный распад нейтронодефицитных ядер с испусканием одного или двух протонов, которые проникают через кулоновский барьер за счет туннельного эффекта. Двухпротонная радиоактивность стала возможной благодаря спариванию протонов с противоположными спинами в ядре, спариванию, сопровождающему высвобождение энергии примерно 2 МэВ.В результате этого спаривания одновременное испускание пары протонов из ядра требует меньших затрат энергии, чем удаление одного из этих протонов от другого. В некоторых случаях испускание пары протонов сопровождается выделением энергии (за период> 10 ^–12 сек), тогда как выброс одиночного протона требует затрат энергии.

Трудности в наблюдении протонной и двухпротонной радиоактивности вызваны как малым (по сравнению с другими видами радиоактивности) временем жизни ядер, так и выраженным нейтронным дефицитом этих ядер.Следовательно, ядерные реакции, приводящие к образованию этих ядер, маловероятны, потому что они сопровождаются выбросом большого количества нейтронов. До сих пор протонная радиоактивность наблюдалась только при распаде ядра кобальта, но не в основном состоянии, а в возбужденном (изомерном) состоянии ^53M Co. Двухпротонная радиоактивность, а также двухнейтронный распад имеют еще не обнаружено экспериментально.

Гамма-лучи; ядерные изомеры . Эмиссия гамма-лучей сопровождает радиоактивность в тех случаях, когда дочерние ядра образуются в возбужденных состояниях.Время жизни ядер в таких возбужденных состояниях определяется свойствами (спином, четностью и энергией) как данного уровня, так и нижележащих уровней, на которые могут происходить переходы с испусканием гамма-лучей. Длительность гамма-переходов резко возрастает по мере уменьшения энергии переходов и увеличения разницы угловых моментов исходного и конечного состояний ядра. В ряде случаев длительность значительно превышает 10 ^–10 –10 ^–9 с; то есть, помимо основного состояния стабильного или радиоактивного ядра, метастабильное возбужденное (изомерное) состояние может существовать в течение относительно длительных периодов, иногда в течение многих лет.Для многих ядерных изомеров наблюдается явление внутренней электронной конверсии. Здесь возбужденное ядро ​​не испускает гамма-лучи, а вместо этого передает свою избыточную энергию электронным оболочкам, что приводит к выбросу электрона из атома. После внутренней конверсии вторичное излучение в рентгеновском и оптическом диапазонах возникает в результате заполнения незанятого узла другим электроном и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах означает, что время жизни соответствующих изомеров зависит, хотя и незначительно, от химического состояния превращающихся атомов.

Известны изомеры, у которых распад через один из основных типов радиоактивности преобладает над гамма-излучением и образование другого состояния того же изотопа. Таким образом, изомер ( T _½ = 3,7 часа) подвергается бета-распаду, как и изотоп в основном состоянии; изомер ( T _½ = 45 сек) подвергается альфа-распаду, как и изотоп в основном состоянии; и изомер ( T ½ = 14 миллисекунд) подвергается спонтанному делению.

Радиоактивные серии (семейства) . Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами радиоактивны, и образованию стабильного изотопа предшествует цепочка процессов радиоактивного распада. Примерами таких цепочек являются радиоактивные ряды природных изотопов тяжелых элементов, которые начинаются с нуклидов ²³⁸ U, ²³⁵ U и ²³² Th и заканчиваются такими стабильными изотопами свинца, как ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb и ²⁰⁸ Pb.Многие радиоактивные изотопы могут распадаться за счет двух или более основных типов радиоактивности, упомянутых выше. В результате этой конкуренции между различными путями распада произойдет разветвление радиоактивных превращений. Разветвление, возникающее из-за возможности альфа- или электронного бета-распада, характерно для природных радиоактивных изотопов. Для изотопов трансурановых элементов чаще встречается разветвление, возникающее в результате конкуренции между альфа-распадом (реже бета-распадом электрона) и спонтанным делением.Конкуренция между бета-распадом позитрона и захватом электронов часто наблюдается в нейтронодефицитных ядрах. Для многих изотопов с нечетным Z и четным A и возможны два противоположных по энергии варианта бета-распада — бета-распад электрона с захватом электрона и бета-распад электрона с бета-распадом позитрона.

Заключение . Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники. Это открытие положило начало периоду интенсивного изучения свойств и структуры материи.Новые возможности, возникающие в результате применения ядерной энергии в энергетике, промышленности и многих других областях человеческой деятельности, связаны с открытием способности химических элементов претерпевать спонтанные преобразования. Более десяти Нобелевских премий по физике и химии были присуждены за работы, связанные с изучением и использованием радиоактивности. Получатели: А. Беккерель, П. Кюри и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорд, Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри, Ж. де Хевези, О.Хан, Э. Макмиллан, Дж. Сиборг и У. Либби.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Curie, M. Radioaklivnost ’, 2nd ed. Москва-Ленинград, 1960.
Мурин А.Н. В ведение в радиоактивность . Ленинград, 1955.
Давыдов А.С. Теория аломного иадра . Москва, 1958.
Гайсинский, М. Н. Ядерная химия и ее приложения . М., 1961. (пер. С французского)
Экспериментальная идерная физика , т.3. Под редакцией Э. Сегре. Москва, 1961. (Пер. С англ.)
Учение о радиоактивности: История и современность . М., 1973.

Т. 1. Г ОЛЬДАНСКИЙ и Э. М. Л ЕЙКИН

.