§ 3.4. Радиоактивность

В 1896 году А.Беккерель совершенно случайно обнаружил самопроизвольное испускание солей урана излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Это излучение назвали радиоактивным излучением, а само явление – испускание радиоактивного излучения радиоактивностью.

Оказалось, что она не зависит от внешних воздействий, которые могут оказать влияние на состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивность обусловлена лишь внутренней структурой атома, т.е. структурой ядра.

Сейчас под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Наблюдаются два типа радиоактивности: естественная и искусственная.

Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов (с атомным номером Z>83), существующих в природе, а искусственная радиоактивность (открытая Фредириком и Ирен Жолио-Кюри в 1934г.) наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакции.

Тем не менее, законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы:

Радиоактивное излучение бывает 3 типов; α-,β- и γ- излучение

α – излучение (α-частицы) это поток ядер гелия, с зарядом +2е и массовым числом 4. Отклоняется электрическим и магнитным полями. Обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (путь пробега в воздухе 3-9 см). Известно более 200 α-активных ядер в основном с А> 200 и Z>82. Скорости вылетающих α-частиц имеют значения 14000 – 20000 км/с или кинетическую энергию – 4-9 Мэв.

При испускании α-частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, а это означает, что химический элемент смещается в периодической системе на 2 номера влево с уменьшением A на 4 и превращается в элемент . Реакция этого перемещения пишется так:

-излучение ( -частицы) это поток быстрых электронов (при -распаде) или антиэлектронов-позитронов (при -распаде). Отклоняется электрическим и магнитным полями, имеет значительно меньшую ( по сравнению с α-частицами на ~2 порядка) ионизирующая способность и гораздо большую проникающая способность.

Энергия -частицы (а также скорость) имеет сплошной спектр от сотых долей Мэв до нескольких Мэв (скорость от 0 до скорости света).

Так как при -распаде химический элемент теряет вполне определенное, одинаковое количество энергии, то сплошной энергетический спектр -частицы можно было объяснить только существованием ранее неизвестной частицы нейтрино (Паули, 1931г.), которая уносит часть энергии -распада.

Нейтрино и -частица совместно уносят из ядра всегда одно и то же количество энергии, но в различных актах в разных пропорциях. (это утверждение экспериментально подтвердилось в 1956 году).

Потом уточнялось, что при -распаде испускалось антинейтрино , а при - распаде - нейтрино.

При -распаде в периодической системе Менделеева элемент смещается на один номер в право без изменения массового числа: (как бы в ядре один из нейтронов превратился в протон).

При -распаде элемент смещается в периодической системе на один номер влево без изменения массового числа: (как бы в ядре один из протонов превратился в нейтрон).

-излучение – это коротковолновое ( и поэтому ярко выраженными корпускулярными свойствами) электромагнитное излучение с ~ 10^-12 м, ~ 10 ²⁰ Гц , ~ 1Мэв (10Кэв ÷5Мэв), похожий на рентгеновских лучей. -лучи не отклоняются электрическим и магнитным полем, распространяются со скоростью света, показывают дифракцию на кристаллах.

В отличии от Х-лучей, -лучи испускаются атомным ядром (при его переходе из возбужденного состояния в нормальное).

Ионизирующая способность -лучей невелика, но с большими проникающими свойствами (несколько сотен метров в воздухе). Обычно и α- и -распады сопровождаются -излучением, т.к. -излучение не является самостоятельным видом радиоактивности.

-излучение может возникать и при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д.

Спектр -излучения линейчатый, который указывает на дискретность энергетических состояний атомных ядер.

-излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром, которое в момент своего образования, оказывается возбужденным и за время ~10 ^-13 ÷^-14 с переходит в основное состояние с испусканием -излучения.

В природе не существует стабильных ядер с Z> 83: здесь играют роли принцип Паули + кулоновские силы. С появлением Z увеличивается отталкивающие силы Кулона, а вновь добавляемый протон занимает все более и более высокие энергетические состояния. В конце концов, энергия одного из этих состояний может превысить энергию расщепления ядра, так что ядро окажется нестабильным.

На рисунке схематично показано отклонения радиоактивного излучения в магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (обозначены точками).