60. Природна та штучна радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду.

У 1896 p. Анрі Бекерель, досліджуючи солі урану, помітив, що вони є

джерелом якогось невидимого проміння, яке залишає сліди на фотопластинці, проникаючи до неї крізь захисний папір та інші непрозорі тіла. Згодом Марія і П’ єр Кюрі встановили, що такі самі властивості випромінювання має торій та відкриті ними радій і полоній, і що найбільш активним з них є радій. Явище бекерелевого випромінювання вони назвали радіоактивністю. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, які мають радіоактивні властивості. Майже всі вони належать до важких хімічних елементів, розміщених у кінці періодичної таблиці.

Широкі дослідження випромінювання радіоактивних речовин були проведені Резерфордом. Випробовуючи випромінювання радію у сильному магнітному полі, він встановив, що під дією поля випромінювання поділяється на три потоки: a , /3 , g (рис. 1). Дальші дослідження показали, що природа цих компонентів така. -проміння відхиляється електричним і магнітним полем; воно є потоком швидких електронів (середня швидкість 160 -10⁶ м /c). Особливістю 3 -випромінювання є те, що воно для будь-якого радіоактивного елемента утворює неперервний спектр енергії. Цю особливість нелегко було з’ясувати. Оскільки ядро є квантовою енергетичною системою, то переходи його з одних станів в інші у бета- розпадах мають супроводжуватися лінійчастим енергетичним спектром 3 - частинок. Можна було гадати, що услід за розпадом енергія 3 -частинок довільно розсіюється на атомах радіоактивної речовини; тоді остання сама себе розігрівала б. Найточніші досліди не підтверджують це.

Була ще одна неузгодженість. Як зазначалося раніше, спін електрона від спіну початкового ядра на — h. Досліди ж показували, що при бета розпадах спін ядра не змінюється. Труднощі в поясненні бета-розпаду були усунуті гіпотезою В. Паулі в 1931 p. За цією гіпотезою при бета-розпаді одночасно з 3 -частинкою випромінюється ще одна дуже легка незаряджена частинка; її за почином Е. Фермі назвали нейтрино. Маса цієї частинки дорівнює близько 0,0005 •••• • 1 _h маси електрона, її спін - 2 h .

Виявити в дослідах нейтрино і підтвердити гіпотезу Паулі теж було нелегко. Відсутність заряду і мала маса частинки зумовлюють слабку взаємодію її з речовиною. Наприклад, її іонізаційна здатність в повітрі характеризується одним актом на 500 км шляху.

У 1934-1936 p.p. О. І. Лейпунський вперше провів оригінальні досліди, які виявили існування нейтрино. Він досліджував 3 -розпад з погляду закону збереження імпульсу. Коли б бета-розпад супроводжувався випромінюванням з ядра тільки однієї частинки - електрона або позитрона, то імпульс ядра віддачі дорівнював би за величиною і був протилежним за напрямом імпульсу 3 -частинки; якщо ж при бета-розпаді випромінюється ще інша частинка, то імпульс ядра віддачі взагалі за величиною і напрямом не повинен дорівнювати імпульсу 3 -частинки (векторна сума імпульсів трьох частинок має дорівнювати нулю.

Попадаючи в речовину, 3 -проміння спричиняє значну іонізацію; кожна 3 -частинка на своєму шляху може утворювати до 10000 пар іонів. Завдяки цьому 3 -проміння має порівняно незначну проникну здатність. При середніх швидкостях воно повністю поглинається в алюмінієвій пластинці 2 см завтовшки, а в біологічні тканини проникає на глибину до 6 см.

За сучасною протонно-нейтронною теорією ядра, 3 -випромінювання виникає внаслідок внутрішньоядерних перетворень нейтронів n в протони p, коли співвідношення кількості нейтронів і протонів (N_njN_p )

Штучна радіоактивність. Перетворення ядер в явищах природної радіоактивності спонукало вчених до здійснення штучної перебудови ядер під дією елементарних частинок або інших ядер. Перебудову ядер в результаті таких впливів називають ядерною реакцією.

Важливим відкриттям у дослідженнях ядерних реакцій було відкриття штучної радіоактивності. Штучну радіоактивність відкрили в 1934 p. подружжя фізиків Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі. Досліджуючи дію a - частинок природного

радіоактивного полонію на ядра алюмінію в камері Вільсона з магнітним полем, вони виявили випромінювання нейтронів та позитронів. Це випромінювання, очевидно, утворювалося в процесі такої ядерної реакції:

Відкриття полягало в тому, що після видалення з камери джерела а- частинок випромінювання нейтронів відразу припинялося, а випромінювання позитронів тривало. Алюмінієва фольга залишалася радіоактивною, а інтенсивність випромінювання позитронів з часом зменшувалася за експоненціальним законом, як при природній радіоактивності. Жоліо-Кюрі показали, що ядерна реакція (1) відбувається в два етапи з утворенням проміжного радіоактивного ізотопу фосфору, а саме:

У 1908 p. Резерфорд і його співробітники виявили спектроскопічним способом, що в ампулі, в якій була деяка кількість солі радію RaCl ₂, з’явилися два нових гази; один з них гелій, а другий - тоді ще невідомий радіоактивний елемент, що дістав назву “еманація радію” (тепер - радон).

Було встановлено, що у закритій ампулі спочатку кількість радону швидко зростає, потім настає рівновага і кількість радону залишається незмінною. Це означало, що кількість радону, який утворюється з радію, дорівнює кількості радону, що розпадається. Закривши деяку кількість радону в окрему ампулу, встановили, що кількість його безперервно зменшується,