2. Радіоактивне випромінювання

10.2.1. 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, які зайнялися вивчен­ням беккерелевих променів, 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 4 рази більша інтенсивності солей урану. В 1898 р. подружжя Кюрі відкрили два елементи – полоній і радій, які випуска­ли відкрите Беккерелем випромінювання.

М. Складовська-Кюрі (єдина жінка, яка була наго­род­же­на двома Нобелевськими преміями), П. Кюрі та Е. Резер­форд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. В магнітному полі потік беккерелевих променів розділяється на три частини – компоненти, які названі альфа ()-, бета ()- і гамма ()-променями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радіоактив­ними, а властивість речовин випромінювати -, -, -проме­ні назвали радіоактивністю або радіоактивним розпа­дом. Було встановлено, що при - і -розпадах утворюються ядра нових елементів.

Альфа-випромінювання. Надалі Резерфорд, Кюрі та їх співробітники довели, що -частинки являють собою ядра гелію He, тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електрона (q = 2е, е = 1.610^–19 Кл) завдяки 2 протонам, та масу, яка в 4 рази більша, ніж маса ядра атома водню (m = 4m₀, m₀ = 1.6710^–27 кг) завдяки 2 протонам і 2 нейтронам.

Бета-випромінювання. Бета-випромінювання 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 експериментально 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:

(10.5)

Тут використані такі позначення: – нейтрон, – протон, – електрон, – позитрон, і – 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. Cлід зазначити, що термін бета-випромінювання асоціюєть­ся, як правило, з електронами.

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

. (10.6)

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

.

С

Мал. 10.6. Крива розподілу кількос­ті -частинок N за енергією Е.

лід зауважити, що фізики досить довго мали труднощі з поясненням неперерв­ного спектру бета-ви­про­мі­нювання (мал. 10.6). Дійс­­но, здавалося зовсім незрозумілим з точки зору закону збереження енергії, як при фіксова­них енергіях протона і нейтрона енергія бета-частинки може змінюва­тися в досить широких межах, а не бути фіксованою. При фіксованій енергії бета-частинки її спектр мав би бути, звичайно, лінійчаcтим. Висловлювалось навіть таке припу­щення, що при -розпадах може не виконуватися закон збереження енергії. Але згодом Е. Фермі знайшов вірне пояснення неперервному спектрові бета-випромінювання, припустивши наявність ще однієї частинки – нейтріно  (при позитронному -розпаді) та антинейтріно (при елект­рон­­ному -розпаді). Саме Е. Фермі ввів термін “нейтріно”, що означає “маленький нейтрон”, хоча гіпотезу про можли­вість існування такої нейтральної частинки висловив В. Паулі в 1930 р., тобто за 4 роки до теорії -розпаду Е. Фермі. Фіксована різниця енергій протона і нейтрона перерозподіляється між -частинками та нейтріно і анти­нейтріно, причому кути розльоту цих частинок не є постійними і в кожному акті -розпаду вони змінюються. Ці теоретичні та експериментальні факти підтверджують неперервність спектру -частинок.

Гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання, 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:

h = E, (10.7)

де E – різниця енергій стаціонарних рівнів ядра атома, між якими відбувається перехід нуклонів. Звичайно, частота  та, відповідно, довжина хвилі гамма-випроміню­ван­ня визначається цією енергією E. Так, при енергії -про­менів в 0.5 МеВ довжина їх хвилі дорівнює   2.510^–12 м.

Слід підкреслити, що 1) гамма-випромінювання не приводить до зміни порядкового номеру хімічного елементу через нульовий заряд -квантів, тобто тільки за рахунок гамма-випромінювання не може відбутися перехід ядер одного елементу в ядра іншого елементу; 2) гамма-випро­мінювання відбувається одночасно з іншими радіо­актив­ними перетвореннями - -розпадом, всіма типами -розпаду ( електронним, позитронним і електронним К-за­хоплен­ням), спонтанним діленням атомних ядер тощо.

Таким чином, радіоактивність – це такий процес, внаслідок якого відбуваються а) самодовільне перетво­рен­ня ядер одного хімічного елементу в ядра іншого елементу, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію (-роз­пад) або електронів і позитронів (-розпад), а також б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елемен­ту короткохвильового електромагнітного випроміню­ван­ня (-розпад), яке супроводжує - і -розпади.