Как найти радиоактивность в физике

Содержание:

• Альфа-распад
• Бета-распад
• Гамма-распад
• Закон радиоактивного распада

Среди 2500 известных атомных ядер больше 90% нестабильны.

Нестабильность больших ядер появляется из-за двух типов взаимодействия: притяжения нуклонов за счёт ядерных сил и кулоновского отталкивания протонов. Число Z (количество протонов) и число А (общая сумма количества нейтронов и протонов) хорошо характеризуют свойства ядер, среди которых не существует стабильных при значениях Z>83 и А<209. Но радиоактивными не обязательно будут только эти ядра, свойство радиоактивности может наблюдаться и у веществ со значительно меньшими значениями A, Z. 

Для ядра, в котором протонов больше чем нейтронов, нестабильность вызывается избыточной энергией кулоновского взаимодействия. В других ядрах, где количество нейтронов превышает число протонов, избыток энергии появляется из-за разницы масс нейтронов и протонов. Чем больше масса ядра, тем больше его энергия.

Радиоактивность, как явление, была впервые обнаружена в 1896 году А. Беккерелем. Физик установил, что соли урана создают неизвестное излучение. Оно способно проходить сквозь преграды, проникать через препятствия из непрозрачных материалов. Также, действие излучения в его опытах вызывало почернение фотоэмульсии. 

Вскоре, всего через два года, аналогичные свойства — способность испускать излучение — были обнаружены у таких элементов, как полоний и радий. Открытие принадлежит французским физикам Марии и Пьеру Кюри.

В последствие к изучению нового свойства вещества присоединились ученые по всему миру. Исследования показали, что ядра способны испускать три типа излучений. Первый — положительно заряженные частицы. Второй — заряженные отрицательно. Третий тип не содержит заряженных частиц.

Сложный состав радиоактивного излучения был обнаружен в ходе эксперимента. Поток пропустили между двумя магнитами с разными полюсами. Проходя сквозь постоянное магнитное поле потоки отклонились в противоположных направлениях, при этом β-излучение ушло гораздо дальше, а γ-поток совсем не отклонился. 

При дальнейшем изучении свойств радиоактивных излучений удалось выяснить, что они значительно отличаются по проникающей способности и по возможности ионизировать атомы различных веществ. Выяснилось, что самая маленькая проникающая способность у α-лучей. Даже в обычном воздухе, при нормальных условиях они способны преодолеть путь всего в пару сантиметров. Более устойчивым оказался поток β-частиц. Он гораздо меньше поглощается веществом и может проникать уже сквозь листы металла, например, алюминия в несколько миллиметров. Меньше всего рассеиваются γ-лучи. Они легко проходят даже через свинец толщиной до 10 сантиметров.

Радиоактивность — свойство атомного ядра. Но это было установлено далеко не сразу, а только после исследований, давших понимание о строении атомов. Важную роль в то, что открытие состоялось, сыграли работы Э. Резерфорда.

Чтобы лучше понять характеристики всех типов излучений, появляющихся при радиоактивном распаде, рассмотрим их по отдельности.

Альфа-распад

В ходе дальнейших опытов установили — вещество, обладающее радиоактивными свойствами, может продуцировать α-частицы только с определёнными уровнями энергии. Объяснение этого заключается в том, что ядра, также как атомы, могут существовать в различных возбуждённых состояниях. Тогда при распаде ядра первоначального вещества α-излучение будет обладать меньшей энергией, а дочернее ядро получится не в основном, а в возбуждённом состоянии. Но эта фаза продлится не долго, так как ядро выделит γ-лучи и перейдёт в свое основное, более стабильное состояние. Поэтому α-распад чаще всего происходит с одновременным испусканием γ-излучения.

Теория α-распада предполагает, что в ядрах возможно появление групп элементарных частиц, в которые входят 2 протона и 2 нейтрона (задел для создания α-частиц). При этом элементы будут существовать в потенциальной яме, обусловленной влиянием ядра атома. Энергии частиц не хватает, чтобы преодолеть потенциальный барьер.

Бета-распад

При бета-распаде происходит испускание ядром потока электронов. Однако, в самом ядре электронов нет, они являются всего лишь следствием β-распада, в ходе которого осуществляется превращение нейтронов в протоны. Подобные процессы идут не только внутри ядра, но и вне его, когда процесс касается свободных нейтронов. Время жизни такой частицы составляет в среднем 15 минут, а в результате радиоактивный распад превращает нейтрон в протон и электрон.

Фактически из-за отсутствия заряда и массы нейтрино не может взаимодействовать с атомами. Поэтому частицу крайне трудно обнаружить во время экспериментов. Несмотря на то, что частица обладает ионизирующей способностью, она очень мала. На каждые 500 км, пролетаемые нейтрино приходится всего один акт ионизации. За годы исследований учёные смогли узнать, что существует несколько типов нейтрино.

Распад нейтрона записывается так:

$_0^1nmapsto_1^1rho+_{-1}^{0}e+_0^0tilde{upsilon}$

При β-распаде аналогичные явления можно обнаружить в ядрах атомов. Если внутри него происходит распад нейтрона, то получившийся электрон сразу же выбрасывается наружу с огромной скоростью, практически совпадающую со скоростью света. Но следует отметить, что скорости β-электронов находятся в широком диапазоне значений, так как распределение выделяющейся при распаде энергии имеет неравномерный характер, поэтому нейтрино, ядро и электрон получают случайное её количество.

Вместе с β-распадом электронного типа существует и другое явление β+-распад позитронного типа. В его ходе ядро испускает нейтрино и позитрон.

Аналитически существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. Частица была обнаружена через несколько лет при анализе состава космических лучей. Схема по которой появляются позитроны выглядит следующим образом:

$_1^1pmapsto_0^1$

$_{1}^{0}e+_0^0tilde{upsilon}_{e}$

Гамма-распад

Отличие γ-радиоактивности от α- или β-распада заключается в том, что она не имеет отношения к изменению внутренней структуры ядер. При продуцировании гамма-излучения не происходит изменения Z или A чисел. 

γ-излучение появляется в случае если при α- или β-распаде получившееся ядро (дочернее) переходит в какое-либо возбуждённое состояние, получает лишнюю порцию энергии. Затем происходит ещё один переход, уже из возбужденного состояния в основное. При этом лишняя энергия выделяется в виде потока γ-квантов. При этом выделяемая энергия может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада

В составе любого радиоактивного вещества можно обнаружить большое количество радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад – это явление случайного характера и практически не зависит от внешних условий, то определение количества целых, нераспавшихся к заданному моменту времени ядер, обозначаемого как N(t), становится одной из основных задач при изучении характеристик процесса радиоактивного распада.

Составим уравнение, которое позволит рассчитать заданную величину. Если допустить, что количество целых ядер N(t) за небольшое время Δt изменится на величину ΔN<0, то можно установить зависимость следующего характера:

$triangle N=-lambda N(t)triangle t$,

То есть число распадов оказывается пропорционально числу ядер N(t), а также промежутку времени Δt.

Получив такую зависимость не трудно сделать вывод, что dN/dt — скорость изменения параметра N(t), является величиной, пропорциональной самой этой функции. 

$frac{text{d}N}{text{d}t}=-lambda N$

Аналогичная зависимость может наблюдаться и в других физических процессах, например она имеет место при разрядке конденсаторов через резистор. Решая полученное уравнение, получаем следующую запись:

$N(t)=N_{0}e^{-lambda t}$,

В формуле N0 — это величина характеризующая начальное число радиоактивных ядер, в начальный момент времени, t=0.

Практическое применение закона радиоактивного распада требует упрощения записи. Для этого в качестве основания надо взять не е, а число 2. Тогда формулу можно представить в следующем виде:

$N(t)=N_{0}cdot 2^{frac{-t}{T}}$

Параметры τ и Т связывает следующее соотношение:

$T=frac{1}{lambda}cdot ln2=tau cdot ln2=0,693tau$

Период полураспада позволяет описывать интенсивность процесса радиоактивного разложения вещества. Чем значение Т меньше, чем больше оказывается скорость распада. Для сравнения период полураспада урана составляет 4,5 миллиарда лет. Для радия этот параметр имеет значение 1600 лет. Сравнивая полученные характеристики можно установить, что активность урана гораздо меньше, чем активность радия. Диапазон скоростей разложения варьируется в очень широких пределах — есть элементы, период полураспада которых составляет доли секунды.

Наука установила, что могут существовать серии радиоактивных распадов, когда последовательно образуются несколько разных веществ с всё меньшей и меньшей атомной массой. Это происходит, если в результате α- и β-распада получается нестабильное ядро. В таких случаях процесс идёт до появления стабильного ядра.

Радиоактивность нашла применение в археологии и палеонтологии. На этом эффекте основан метод датировки находок. Определяя концентрацию радиоактивных изотопов в предмете, можно с достаточной степенью точности установить время его создания, а для живых организмов время гибели. Радиоуглеродный метод основан на определении содержания в предмете или останках нестабильного изотопа углерода 146С. Он содержится в атмосфере, где появляется как результат реакций вызванных космическими лучами. В воздухе содержится малый его процент, но он потребляется, например, растениями. В момент гибели растения прекращает получать углерод, а его нестабильный изотоп начинает распадаться превращаясь в азот. Поэтому, измерив количество радиоактивного углерода можно узнать время гибели растений.

Все виды радиоактивного излучения оказывают сильное биологическое действие на живых существ, растения, другие живые организмы. Излучение вызывает возбуждение клеток, запускает процессы ионизации атомов. Воздействие излучения разрушает сложные молекулы, оказывает деструктивное влияние на клеточные структуры. Сильное воздействие излучения способно вызвать лучевое поражение, которое приводит к тяжёлым физическим последствиям и даже к смерти живых организмов. Поэтому для людей постоянно работающих с источниками радиации необходима надёжная защита.

Проблема усугубляется тем, что у человека нет органов чувств, позволяющих определить наличе радиационного фона. Воздействие ионизирующей радиации может испытываться человеком в течении длительного времени и в бытовых условиях.

Один из наиболее опасных источников радиации – бесцветный, инертный газ радон. Он является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада 3,82 суток. При этом родительское вещество — радий может в незначительных количествах содержаться во вполне обычных, естественных конструкциях, предметах, природных объектах: в строительных материалах, в почве, камнях. Радон, хотя и имеет непродолжительное время жизни, может накапливаться в запертых помещениях, постоянно обновляясь. При этом, не замеченный человеком, он без труда способен попасть в лёгкие, где начинает продуцировать α-частицы и преобразовываться в химически активный полоний, после чего следует серия преобразований, при каждом из которых выделяется излучение. В естественных условиях человек подвергается действию радиации за счёт взаимодействия с радоном, из-за космических лучей, при прохождении медицинских процедур, а также из разных других источников. Однако, суммарная доза облучения, которое человек получает за жизнь, гораздо меньше предельной допустимой.

Недавно проводил очередные занятия по физике со своими учениками и заметил некоторые трудности в решении задач на радиоактивный распад. По моим наблюдениям в школе и в интернете разбираются самые тривиальные задачи на распад. Задачи из ЕГЭ бывают немного сложнее. Но для интереса я добавил в статью разборы еще 6 задач, которые смело можно назвать задачами «со звёздочкой*», то есть повышенной сложности. На написание теории и подробные решения было потрачено много времени, поэтому, если Вам понравится статья, поддержите своей активностью.

💡 Крупные статьи я выкладываю в pdf в своём канале в telegram Репетитор IT mentor. Подписывайтесь, там публикуется контент, которого на Дзен не будет.

Прежде всего хотелось бы сделать замечание. Для успешного решения задач по физике (в целом, любых задач) Вам понадобятся:
◼ 1. Уверенные знания в математике на уровне физ-мат лицея (это минимум)
◼ 2. Базовые знания по дифференциальному и интегральному исчислению, а также умение применять начальные условия (НУ) и граничные условия (ГУ).
◼ 3. Понимание ограничений и сути процесса ( у вас не должны получаться отрицательная масса или отрицательное время, дробное количество, околосветовые скорости макроскопических объектов )
◼ 4. Хорошее воображение, 3D-видение эксперимента у себя в голове, а также возможность представить как выглядит график функции, описываемой в определенном законе (например: закон радиоактивного распада).
◼ 5. Умение разбивать большую задачу на малые подзадачи (например: определить амплитуду колебаний изображения математического маятника — у вас две задачи: механическая и оптическая — решайте их отдельно, потом сшивайте).
◼ 6. Чувствуйте абстракции. Вы никогда не решите задачу, если попытаетесь учесть всё. Пример: определите траекторию полёта камня, брошенного под углом к горизонту с учётом… эффекта Магнуса, динамического сопротивления ветра, фазы Луны, функции плотности воздуха, динамики вихрей потоков воздуха, распада вещества, из которого состоит камень, термодинамического расширения камня. Сложно? Вот поэтому чувствуйте абстракции.
◼ 7. Программирование. Да… внезапно. Для физики полезно знать какой-нибудь язык программирования. Попробуйте решенную задачу замоделировать и закодить в виде графической анимации. Так ваши решения станут куда более интересными и наглядными. А меняя входные параметры, вы станете лучше понимать поведение физических систем.

Основные определения

Радиоактивность – свойство некоторых нуклидов подвергаться радиоактивному распаду.

Радиоактивность – превращение одних атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. На латыни radio – излучаю, activus – действенный.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер и жесткого электромагнитного излучения.

Нуклид – разновидность атома, характеризуемая числом протонов и нейтронов, а в некоторых случаях энергетическим состоянием ядра.

Радионуклид – нуклид, испускающий ионизирующее излучение.

Радиация или ионизирующее излучение – это частицы или гамма-кванты, энергия которых достаточна велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы и катионы (т.е. ионизировать молекулы на своём пути).

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. По своей природе делится на фотонное (гамма-излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение) и корпускулярное (альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное).

Теория для решения задач

Закон радиоактивного распада – закон, который описывается зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и от количества радиоактивных атомов в образце. Закон был открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом. Оба получили Нобелевскую премию. Они обнаружили закон экспериментальным путем. Ещё в далеком 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» этот закон формулировался:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

То есть скорость превращения всё время пропорционально количеству элементов, ещё не подвергнувшихся превращению.

Данную формулировку можно записать в виде дифференциального уравнения: dN/dt = – λ·N, где dN – изменение количества ядер за время dt.

Это изменение отрицательно, потому что при распаде уменьшается количество оставшихся элементов. Опытным путем было установлено, что эта скорость распада dN/dt пропорционально количеству оставшихся ядер N и некоторой постоянной λ, которая называется постоянной распада и характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени (имеет размерность 1/c). Данное уравнение является дифференциальным уравнением первого порядка с разделяющимися переменными. Решение подобных уравнений можно найти в любом учебнике по высшей математике.

В итоге решение будет иметь вид N = N₀ · exp(- λ·t) :

Отсюда видно, что число радиоактивных атомов какого-либо вещества уменьшается со временем по экспоненциальному (показательному) закону. Помимо постоянной распада λ используются другие характеристики.

Среднее время жизни

Зная закон распада, можно посчитать среднее время жизни радиоактивного атома. Вспоминаем, что dN обозначает количество атомов, которое распадется за время от t до t + dt. Тогда среднее время можно будет найти подобно тому, как мы ищем среднее или математическое ожидание случайной непрерывной величины:

В вычислениях была использована формула для интегрирования по частям. Теория интегрирования также описана в любой книге с конспектами по высшей математике (или математическому анализу, или интегральному исчислению).

Подставим результат для тау (время жизни τ) в экспоненциальную зависимость в формуле распада:

Отсюда видно, что за среднее время жизни τ число радиоактивных атомов образца ( а также его активность – количество распадов в секунду) уменьшается в e ≈ 2.718 раз.

Период полураспада

И всё же большей популярностью пользуется другая характеристика для радиоактивных элементов. Называется она периодом полураспада T. Если немного подумать, то из названия понятно, что это время, в течение которого количество радиоактивных атомов исходного элемента уменьшается в 2 раза. Выведем связь этой величины с постоянной распада:

A – массовое число (число нуклонов в составе ядра атома)
Z – атомный номер в таблице Менделеева (число протонов в ядре)
Для нейтрального атома:

Законы сохранения в распадах

При радиоактивном распаде сохраняются следующие параметры:

1. Заряд. Электрический заряд не может создаваться или исчезать. Общий заряд до и после реакции должен сохраняться, хотя может по-разному распределяться среди различных ядер и частиц. Единичный положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга. Аналогично, возможно для нейтральной частицы (типа нейтрона) произвести один заряд каждого знака.
2. Массовое число или число нуклонов. Число нуклонов после реакции должно быть равно числу нуклонов до реакции.
3. Общая энергия. Кулоновская энергия и энергия эквивалентных масс должна сохраняться во всех реакциях и распадах.
4. Импульс и угловой момент. Сохранение линейного импульса ответственно за распределение кулоновской энергии среди ядер, частиц и/или электромагнитного излучения. Угловой момент относится к спину частиц.

Потенциальная энергия взаимодействия α-частицы и остаточного ядра с зарядом Z·e

Вид волновой функции можно получить из решения уравнения Шредингера для взаимодействия ядра атома и α-частицы. Способы решения можно почитать в книгах по физике вузовского уровня или в книгах по ММФ (методы математической физики). В целом, для понимания вам будет полезна теория решения дифференциальных уравнений из конспектов лекций по высшей математике или конкретно по теме – дифференциальное и интегральное исчисление.

По причинам исторического характера ядро He называют альфа-частицей. Установлено, что многие тяжелые ядра с зарядовым числом Z > 82 (Z = 82 имеет свинец) испытывают радиоактивный распад с испусканием альфа-частицы. В альфа-частице удельная энергия связи больше, чем в тяжелых ядрах, поэтому альфа-распад возможен энергетически. К примеру, образце урана U-238 испускает альфа-частицы с периодом полураспада 4.5 млрд. лет. Самопроизвольно происходит реакция:

Спустя 4.5 млрд. лет половина ядер урана U-238 распадается. Разность масс U-238 и продуктов распада равна энергии 4.2 МэВ. Рисунок выше позволяет получить представление о том, почему происходит альфа-распад. Ea – кинетическая энергия вылетающей альфа-частицы. Первоначально альфа-частицы находится в области I и может быть описана стоячей волной с амплитудой Ψвнутр (волновая функция в данной области пространства). Однако, возможно проникновение сквозь барьер, потому что в области вдали от ядра имеется небольшой «хвост» волновой функции Ψвнеш. Вероятность вылета альфа-частицы в момент её соударения с барьером можно оценить выражением: |Ψвнеш|²/|Ψвнутр|².

Число таких столкновений в 1 секунду приблизительно v/2R, где v – скорость альфа-частицы в области I. Таким образом, вероятность испускания альфа-частицы в единицу времени можно записать так:

В образце, содержащем n ядер, число распадов в секунду (скорость уменьшения n) равна

Отсюда с помощью интегрирования и подстановки начальных условий можно снова получить закон радиоактивного распада:

Можно получить ещё одну формулу для оценки периода полураспада:

Формула иллюстрирует применение квантовой механики для объяснения радиоактивности. Квантовая механика дает исчерпывающее объяснение альфа-распада и других радиоактивных превращений. Природа вероятности интересна тем, что если в силу редкой случайности текущее ядро уцелело на протяжении большого числа периодов полураспада, то эта предыстория абсолютно не влияет на вероятность распада в будущем. Этот же эффект имеет место при бросании монеты. Если у вас пять раз выпал орёл, вероятность шестой раз выпасть орлу остаётся по-прежнему равной 0.5.

Вероятность распада ядер одного вещества всегда одна и та же, независимо от их возраста. Допустим, половина ядер какого-либо изотопа распадается за один год. Какое-то ядро, избежавшее распада в первый год, по-прежнему будет иметь вероятность ½ распасться на протяжении второго года. Если сохранится на протяжении двух лет, то вероятность распада на третий год снова будет ½.

💡 Теперь перейдем к практике и поучимся решать основные задачи. Здесь имеются две задачи из ЕГЭ по физике, но также я добавил более сложные задачи, которые не встречались мне в ЕГЭ, однако встречались в вузовской программе для физиков.

Практика решения задач

Задача 1. Какая доля радиоактивных ядер распадается через интервал времени, равный половине периода полураспада? Ответ приведите в процентах и округлите до целых.

Решение:

Задача 2. После крупной радиационной аварии, произошедшей в 1986 году на Чернобыльской атомной электростанции, некоторые участки местности оказались сильно загрязнены радиоактивным изотопом цезия-137 с периодом полураспада 30 лет. На некоторых участках норма максимально допустимого содержания цезия-137 была превышена в 1000 раз. Через сколько периодов полураспада после загрязнения такие участки местности вновь можно считать удовлетворяющими норме? Ответ округлите до целого числа.

Решение:

Задача 3. Период полураспада элемента 1 в три раза больше периода полураспада элемента 2. За некоторое время число атомов элемента 1 уменьшилось в 8 раз. Во сколько раз за это же время уменьшилось число атомов элемента 2?

Решение:

Задача 4*. Вычислить постоянную распада λ для изотопов радия:
а) ²¹⁹Ra; б) ²²⁶Ra; в) ²³⁰Ra. Чему равна вероятность распада изотопов радия за время t = 1 час ?

Решение:

Задача 5*. При определении периода полураспада короткоживущего радиоактивного изотопа использовался счётчик импульсов. За минуту в начале наблюдения было насчитано Δn₀ = 250 импульсов, а через время τ = 1 час было зарегистрировано Δn = 92 импульса. Чему равен период полураспада данного изотопа?

Решение:

Задача 6*. Известно, что из радиоактивного полония ²¹⁰Po массой m = 2.5 грамм за время t = 32 дня в результате его распада образуется гелий объемом V = 40 см³ при нормальных условиях: p₀ = 10⁵ Па и τ₀ = 273 К. Определить по этим данным период полураспада данного изотопа полония.

Решение:

Задача 7*.Оценить количество тепла, которое выделяет полоний ²¹⁰Po массой m = 1 мг за время, равное периоду полураспада этих ядер, если испускаемые α-частицы имеют кинетическую энергию Wα = 5.3 МэВ.

Решение:

Задача 8*. Пусть в ядре урана ²³⁸U альфа-частица сталкивается с потенциальным барьером 5·10²⁰ раз в секунду и Ψвнеш/Ψвнутр = 10⁻¹⁹.
а) Какова вероятность распада этого ядра в 1 сек ?
б) Каково среднее время жизни этого ядра?

Решение:

Понравилась статья? Поставьте лайк, подпишитесь на канал! Вам не сложно, а мне очень приятно 🙂

Если Вам нужен репетитор по физике, математике или информатике/программированию, Вы можете написать мне или в мою группу Репетитор IT mentor в VK
Библиотека с книгами для физиков, математиков и программистов
Репетитор IT mentor в telegram

Открытие
явления радиоактивности определило развитие науки и общества в течение всего XX
века. Возможно, исследование радиоактивности и ядра атома стало важнейшим, что
произошло в науке того времени. История, которая привела к открытию
радиоактивности, началась 8 ноября 1895 года, когда немецкий физик Вильгельм Конрад
Рёнтген проводил опыты с катодной трубкой. Дело было в ноябре, когда темнело
рано, а рядом с экспериментальной установкой стоял экран, пропитанный раствором
люминофора, и Рёнтген неожиданно обнаружил лёгкое свечение этого экрана. Взяв
кусочек свинца и поднеся его к экрану учёный увидел удивительную вещь: на
экране была тень от пальцев, на которой он увидел свои кости. Никто раньше не
мог увидеть свой собственный скелет. Это открытие вызвало ажиотаж не только в
научных кругах, но и в обществе.

Когда
было обнародовано сообщение об этом открытии во Франции Беккерель решил
установить возможную связь между явлением люминесценции и таинственными лучами.
Экспериментируя с солями урана, Беккерель завернул фотопластинку в плотную
чёрную бумагу, положил на неё сверху несколько кусочков урановой соли и
выставил всё это на солнечный свет. После проявления фотопластинки на ней
обнаружились тёмны пятна в тех местах, где лежали крупинки соли. Учёный полагал,
что это излучение возникает под действием солнечных лучей. Но однажды, в
феврале 1896 года, провести очередной опыт ему не удалось из-за плохой погоды.
Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на неё сверху медный крест,
покрытый солью урана.

Два
дня спустя Беккерель на всякий случай проявил фотопластинку и с удивлением
обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени креста. 23 марта 1896 года
Беккерель продемонстрировал результаты опытов на заседании Парижской академии
наук, предположив, что обнаружил разновидность фосфоресценции, но не обычной, а
«невидимой и долгосрочной». В том же 1896 году Беккерель убедился, что открытое
им излучение не является фосфоресценцией, так как оно, подобно рентгеновским
лучам, ионизирует воздух и разряжает электроскоп.

Однако
учёный долго не хотел принимать этот факт. В 1897 году он сделал лишь один доклад,
в котором резюмировал результаты своей работы. В частности, он объявил о
разряжении электроскопа урановыми лучами и о том, что интенсивность
самопроизвольного излучения определяется только количеством урана в препарате и
совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Отсюда
следовало, что это свойство присуще не соединениям, а самому химическому
элементу урану, точнее — его атомам.

После
этого Беккерель вернулся к изучению фосфоресценции, оставив теорию «урановых
лучей» в зачаточном состоянии. Но исследования Беккереля стали фундаментом для
работ других французских учёных — супругов Пьера и Марии Кюри. Систематическое
исследование руд, содержащих уран, с помощью пьезоэлектрических весов,
разработанных Пьером и его братом Жаком, квадрантного электрометра и
ионизационной камеры, подсоединённой к батарее, позволило Марии Склодовской-Кюри
к началу 1898 года открыть радиоактивность ряда веществ, в том числе тория.

13
июня того же года супруги Кюри смогли выделить новый, ранее неизвестный
химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Кюри — Польши.

В
середине ноября супруги Кюри вернулись к своим опытам и буквально через месяц
смогли выделить новый химический, который был в 2—3 миллиона раз активнее урана.
20 декабря новый элемент в лабораторной книге Кюри получил название «радий»,
что по латыни означает «лучистый».

Тридцатого
(30) января тысяча восемьсот девяносто девятого (1899) года Мария Склодо́вская-Кюри
опубликовала статью «Лучи Беккере́ля и поло́ний», в которой впервые
вводит термины «радиоактивность» и «радиоактивный элемент».

В
течение четырёх лет Мария Склодовская-Кюри работала над выделением радия, одного
из новых элементов, и к 1902 году было получено порядка 100 мг радия. Казалось
бы, что особенного: ещё один химический элемент, их открывают до сих пор. Но
это было не просто открытие ещё одного элемента. Радий обладал уникальными
свойствами: самопроизвольно разогревался, светился в темноте. У учёных оказался
важнейший исследовательский инструмент в руках. Они стали изучать излучение,
которое испускает радий, пытались понять природу энергии, которая заставляет
его греться, светиться и испускать лучи.

Была
проведена серия экспериментов с препаратами радия. К ним можно отнести
эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, которые в итоге привели к
представлениям о строении атома, к понятию о том, что внутри атома есть ядро,
которое положительно заряжено. Были проведены первые ядерные реакции, то
есть превращение одних элементов в другие с помощью излучения радия. Удалось
установить, что при распаде радия образуются новые химические элементы, и была
выяснена природа радиоактивности. Стало понятно, что радиоактивность — это
процесс самопроизвольного превращения ядер неустойчивых изотопов одного
химического элемента в ядра изотопов других химических элементов,
сопровождающееся испусканием элементарных частиц, гамма-квантов или более
лёгких ядер. Так был положен конец представлениям, которые бытовали в химии
на протяжении столетий, о неизменности химических элементов.

После
открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их
излучения. В 1899 году уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд поставил
классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного
излучения. Установка состояла из толстостенного свинцового ящика внутрь
которого помещались крупицы урановой соли. Из ящика сквозь узкое отверстие
выходил направленный и сфокусированный пучок радиоактивного излучения и попадал
на фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно
тёмное пятно в том месте, куда попадал пучок.

Однако
оказалось, что если пропустить излучение урана через магнитное поле, то
излучение разделяется на два компонента, которые позже были названы альфа- и бета-лучами
согласно первым буквам греческого алфавита.

В
1900 году Беккерель первым измерил (приблизительно) отношения заряда к массе бета-частиц
и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей. Проще
говоря, бета-лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростями,
близкими к скорости света. Отсюда следовало, что при бета-распаде ядро атома
теряет один электрон, в результате чего образуется ядро нового элемента с тем
же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше, чем у
материнского ядра:

Здесь
важно понимать, что электрон теряет не атом (в этом случае образовался бы
положительный ион), а ядро атома в результате, как оказалось, распад нейтрона на
протон, электрон и ещё какую-то нейтральную безмассовую частицу:

В
1932 году американский физик Карл Андерсон при наблюдении космического
излучения с помощью камеры Вильсона смог сфотографировать следы частиц, которые
очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного
поля, противоположный следам электронов.

Это
свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Андерсон
назвал эти частицы «позитронами». Дальнейшие исследования позитронов
показали, что их масса равна массе электрона, а заряд — модулю заряда
электрона.

В
1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли ещё один источник позитронов — бета
плюс-радиоактивность.

Таким
образом, существует два вида бета-распада:

Интересно,
что изучение бета-распада показало, что в нём как-бы нарушаются два
фундаментальных закона: закон сохранения энергии и импульса. Поэтому 4 декабря 1930
года швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули предположил, что при бета-распаде
рождается ещё какая-то частица, которая и уносит часть энергии и импульса.
Паули назвал её нейтроном. Однако впоследствии, как мы знаем, «нейтроном» была
названа другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав
атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах итальянца Энрико Ферми 1933—1934
годов на итальянский манер была названа «нейтрино», что в переводе означает
«нейтрончик».

Свойства
нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и
очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому
оно было экспериментально обнаружено только в середине 50-х годов ХХ в.
американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коуэном.

Фактически
в любом веществе нейтрино ведёт себя так, как будто вещества нет. Например, если
бы железная плита имела толщину, равную расстоянию от Земли до Солнца, то она
задержала бы лишь одно из ста миллионов нейтрино. Поэтому нейтрино свободно
пронизывает космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные
тела.

Таким
образом, при бета минус-распаде ядра самопроизвольно испускают электрон и
электронное антинейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым
массовым числом, но с атомным номером на единицу больше:

При
бета плюс-распаде ядра самопроизвольно испускают позитрон и электронное
нейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым массовым числом, но
с атомным номером на единицу меньше:

Отметим,
что свободный протон, в отличие от нейтрона, стабилен. Однако в ядре становится
возможным бета плюс-превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и
нейтрино:

Существует
ещё третий вид превращений ядер с участием бета-частиц, который называется электронным
или е-захватом. При электронном захвате один из протонов ядра
захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное
нейтрино:

Но
вернёмся к опытам по исследованию радиоактивности. В 1900 году французский
физик Поль Вийяр при исследовании отклонение альфа- и бета-лучей в излучении
радия обнаружил и третий, ранее неизвестный вид лучей, не отклоняющихся даже в
самых сильных магнитных полях.

Вийяр
был скромным человеком, и не предложил конкретного названия для излучения,
которое он обнаружил. Поэтому в 1903 году Эрнест Резерфорд предложил назвать
лучи Вийяра гамма-лучами, потому что они были гораздо более проникающими, чем
альфа- и бета-лучи, открытые им ранее.

Поль
Вийяр также показал, что открытый им вид излучения характеризуется чрезвычайно
малой длиной волны и, вследствие этого, обладает ярко выраженными
корпускулярными свойствами. В дальнейшем было доказано, что гамма-излучение
представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию.

Труднее
всего было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются
магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду
в 1913 году. Для начала он смог измерить отношение заряда частицы к её массе по
отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у
протона — ядра атома водорода. Отсюда следовало, что у альфа-частицы на один
элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.

Затем
Резерфорд поместил на пути частиц счётчик Гейгера и с его помощью измерил число
частиц, испускаемых радиоактивным препаратом за определённое время.

Затем
он поставил на место счётчика металлический цилиндр, соединённый с
чувствительным электрометром. С помощью электрометра учёный мог измерить заряд
частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как
радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем. Зная суммарный
заряд альфа-частиц и их число, Резерфорду не составило труда определить заряд
одной альфа-частицы. Он оказался равным двум элементарным. Собрав результаты трёх
опытов воедино, учёный установил, что на два элементарных заряда альфа-частицы
приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же
относительную атомную массу имеет ядро гелия. То есть альфа-частица — это ядро
атома гелия, потерявшее два своих электрона.

Следовательно,
продуктом распада материнского ядра оказывается элемент, зарядовое число
которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше, чем
у материнского ядра:

В
том же году американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди особенности
альфа- и бета-распада были сведены в общее правило — правило смещения: при
α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно
на 4 а. е. м. В результате элемент смещается на две клетки к началу
Периодической системы. При β⁻-распаде элемент смещается
на одну клетку ближе к концу, а при β⁺-распаде — на одну клетку
ближе к началу Периодической системы.

В
заключение урока отметим одну очень важную особенность явления радиоактивности:
при всех ядерных превращениях сохраняются массовые и зарядовые числа, а также
выполняются все известные законы сохранения.