8.2. Радіоактивне випромінювання

8.2.1. Радіоактивність, її властивості

Вивчаючи фосфоресцентне свічення мінералів, А. Беккерель в 1896 р. знайшов, що солі урану випускають невидимі промені, яким притаманна висока проникаюча здатність (фотопластинки, які були загорнуті в чорний папір, "засвічувались", коли поблизу розташовували сіль урану). Це випромінювання було спочатку назване беккерелевими променями. Характерні особливості цього випромі­нювання - самодовільність і постійність, повна не залеж­ність від зовнішніх умов (освітлення, тиску і температури).

П. Кюрі і М. Складовська-Кюрі (єдина жінка, яка була нагороджена двома Нобелевськими преміями) зайнялися вивченням беккерелевих променів і перебрали майже всі відомі на той час мінерали з метою знайти в них таке ж саме випромінювання. Так, вони встановили, що уранова смоля­на руда дає випромінювання, інтенсивність якого в чотири рази більша інтенсивності солей урану. В 1898 р. подружжя Кюрі відкрили два елементи - полоній і радій, які випуска­ли відкрите Беккерелем випромінювання.

М. Складовська-Кюрі, П. Кюрі та Е. Резерфорд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. У магнітному полі потік беккерелевих променів поділяється на три частини -компоненти, які названі альфабетаі гаммапроменями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радіоактивними, а властивість речовин випромінювати промені назвали радіоактивністю або радіоактивним розпадом. Було встановлено, що прирозпадах утворюються ядра нових елементів.

Альфо-випромінювання. Надалі Резерфорд, Кюрі та їх співробітники довели, що а-частинки становлять ядра гелію тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електроназавдяки двом протонам, та масу, яка в чотири рази більша, ніж маса ядра атома воднюзавдяки двом протонам і двом нейтронам.

Бета-випромінювання. Воно буває двох типів: 1) електронне бета-випромінювання, що складається із швид­ких електронів, які вилітають з ядра атома; 2) позитронного бета-випромінювання. Позитрон, що також вилітає з ядра, є античастинка по відношенню до електрона, яка відрізняєть­ся від нього лише знаком заряду і магнітного моменту. Позитрон був відкритий теоретично В. Паулі та П. Дираком в 1930 р. та експериментальне Андерсоном в 1932 р. при дослідженні космічних променів в камері Вільсона, що була вміщена у магнітне поле. Принципове пояснення дивовиж­ного факту вильоту з ядра електронів і позитронів в той час, коли, як добре відомо, ядро складається лише з протонів та нейтронів, дав Е. Фермі в 1934 р. За Е. Фермі, бета-випромінювання відбувається внаслідок самодовільного перетворення частинок ядра - нуклонів (цю назву, що об'єднує протони і нейтрони всередині ядра, запропонував В. Гейзенберг) за такими схемами:

(8.5)

Тут використані такі позначення: - нейтрон,- протон, - електрон, - позитрон, - нейтрино та антинейтрино. Таким чином, перетворення нейтрона у протон у ядрі атома супроводжується електронним бета-випромінюванням, а обернений процес - перетворення протона в нейтрон - позитронним бета-випромінюванням. Слід зазначити, що термін бета-випромінювання асоціюєть­ся, як правило, з електронами.

Існує ще один процес, який відносять також до бета-розпаду - електронне /Г-захоплення, при якому відбувається взаємне перетворення нуклонів ядра:

(8.6)

За цим процесом електрон, що знаходиться на найближ­чій до ядра К-орбт захоплюється ядром, в результаті чого протон перетворюється в нейтрон і випромінюється нейтри­но. При К-захопленні (значно рідше відбуваються процеси L- і М-захоплення, тобто поглинання ядром електронів забо М- оболонок) число протонів Z, яке визначає порядко­вий номер хімічного елемента, зменшується на одиницю. Внаслідок такого процесу утворюється ядро елемента, який розташований в періодичній системі Менделєєва на попередньому місці, як це спостерігається при позитронному розпаді. Прикладом такого перетворення хімічних елементів внаслідок К-захоплення є реакція

Треба зауважити, що фізики досить довго мали трудно­щі з поясненням неперервного спектру бета-випромінювання (рис. 8.6). Дійсно, здавалося зовсім незро­зумілим з погляду зако­ну збереження енергії, як при фіксованих енергіях протона і нейтрона енер­гія бета-частинки може змінюватися в досить широких межах, а не бути фіксованою.

Рис. 8.6. Крива розподілу кількості частинок N за енергією Е.

При фік­сованій енергії бета-частинки її спектр мав би бути, звичайно, лінійчатим. Висловлювалось навіть таке припу­щення, що при розпадах може не виконуватися закон збереження енергії. Ллє згодом Е. Фермі знайшов вірне пояснення неперервному спектрові бета-випромінювання, припустивши наявність ще однієї частинки - нейтрино(при позитронномурозпаді) та антинейтрино (при елект­ронномурозпаді). Саме Е. Фермі ввів термін "нейтрино", що означає "маленький нейтрон", хоча гіпотезу про можли­вість існування такої нейтральної частинки висловив В. Паулі в 1930 p., тобто за чотири роки до теорії розпаду Е. Фермі. Фіксована різниця енергій протона і нейтрона перерозподіляється між , частинками та нейтріно і антинейтріно, причому кутирозльоту цих частинок не с постійними і в кожному актірозпаду вони змінюються. Ці теоретичні та експериментальні факти підтверджують неперервність спектручастинок.

Гамма-випромінювання. Воно, як і рентгенівське випромінювання, належить до більш широкого класу електромагнітних випромінювань. В основному фізична природа гамма-випромінювання пов'язана з переходами нуклонів ядра з одного стаціонарного енергетичного рівня на інший подібно до того, як перехід між стаціонарними енергетичними рівнями атомів та молекул супроводжується випромінюванням або поглинанням електромагнітного випромінювання радіо-, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового діапазонів. Тому енергія фотона при гамма-випромінюванні може бути знайдена за відомою формулою Бора-Зоммерфельда:

(8.7)

де - різниця енергій стаціонарних рівнів ядра атома, між якими відбувається перехід нуклонів. Звичайно, частота та відповідно довжина хвилі гамма-випромінювання визначається цією енергією Так, при енергіїпро­менів в 0.5 МеВ довжина їх хвилі дорівнює

Слід підкреслити такі факти: 1) гамма-випромінювання не спричинює зміни порядкового номера хімічного елемен­та через нульовий зарядквантів, тобто тільки за рахунок гамма-випромінювання не може відбутися перехід ядер одного елемента в ядра іншого елемента; 2) гамма-випро­мінювання відбувається одночасно з іншими радіоактив­ними перетвореннями -розпадом, всіма типамирозпаду (електронним, позитронним і електронним К-захопленням), спонтанним діленням атомних ядер тощо.

Таким чином, радіоактивність - це такий процес, внаслідок якого відбуваються: а) самодовшьне перетво­рення ядер одного хімічного елемента в ядра іншого елемента, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію (розпад) або електронів і позитронів (розпад); б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елемен­та короткохвильового електромагнітного випроміню­вання (розпад), яке супроводжує розпади.