Радиоактивность радиоактивные превращения атомных ядер. Радиоактивные превращения атомных ядер: история открытия, основные типы превращений. Источники поступления радионуклидов в окружающую среду

– природные или искусственные превращения ядер одних атомов в ядра других атомов.

Новая алхимия? В 1903 Пьер Кюри обнаружил, что соли урана непрерывно и без видимого уменьшения со временем выделяют тепловую энергию, которая в расчете на единицу массы представлялась огромной по сравнению с энергией самых энергичных химических реакций. Еще больше теплоты выделяет радий – около 107 Дж в час в расчете на 1 г чистого вещества. Получалось, что имеющихся в глубинах земного шара радиоактивных элементов достаточно (в условиях ограниченного теплоотвода) чтобы расплавить магму

Где же находится источник этой, казалось бы, неисчерпаемой энергии? Мария Кюри выдвинула в самом конце 19 в. две гипотезы. Одна из них (ее разделял лорд Кельвин) заключалась в том, что радиоактивные вещества улавливают какое-то космическое излучение, запасая нужную энергию. В соответствии со второй гипотезой излучение сопровождается какими-то изменениями в самих атомах, которые при этом теряют энергию, которая и излучается. Обе гипотезы казались равно невероятными, но постепенно накапливалось все больше данных в пользу второй.

Большой вклад в понимание того, что же происходит с радиоактивными веществами, внес Эрнест Резерфорд . Еще в 1895 английский химик Уильям Рамзай , который прославился открытием в воздухе аргона, обнаружил в минерале клевеите другой благородный газ – гелий . Впоследствии значительные количества гелия были обнаружены и в других минералах – но только тех, которые содержали уран и торий . Это казалось удивительным и странным – откуда в минералах мог взяться редкий газ? Когда Резерфорд начал исследовать природу альфа-частиц, которые испускают радиоактивные минералы, стало ясно, что гелий является продуктом радиоактивного распада (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ ). Значит, одни химически элементы способны «порождать» другие – это противоречило всему опыту, накопленному несколькими поколениями химиков.

Однако «превращением» урана и тория в гелий не ограничилось. В 1899 в лаборатории Резерфорда (в то время он работал в Монреале) наблюдали еще одно странное явление: препараты элемента тория в закрытой ампуле сохраняли постоянную активность, а на открытом воздухе их активность зависела от. Сквозняков. Резерфорд быстро понял, что торий испускает радиоактивный газ (его назвали эманацией тория – от лат. emanatio – истечение, или тороном), активность этого газа очень быстро уменьшалась: вдвое примерно за одну минуту (по современным данным – за 55,6 с). Подобная газообразная «эманация» была открыта также у радия (ее активность уменьшалась значительно медленнее) – ее назвали эманацией радия, или радоном. Своя «эманация», исчезающая всего за несколько секунд, обнаружилась и у актиния, ее назвали эманацией актиния, или актиноном. Впоследствии выяснилось, что все эти «эманации» являются изотопами одного и того же химического элемента – радона (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ ).

После соотнесения каждого члена ряда одному из изотопов известных химических элементов, стало ясно, что ряд урана начинается с урана-238 (T 1/2 = 4,47 млрд. лет) и заканчивается стабильным свинцом-206; поскольку одним из членов этого ряда является очень важный элемент радий), этот ряд называют также рядом урана – радия. Ряд актиния (другое его название – ряд актиноурана) тоже берет свое начало от природного урана, но от другого его изотопа – 235 U (Т 1/2 = 794 млн. лет). Ряд тория начинается с нуклида 232 Th (T 1/2 = 14 млрд. лет). Наконец, не представленный в природе ряд нептуния начинается с искусственно полученного самого долгоживущего изотопа нептуния: 237 Np

® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. В этом ряду тоже есть «вилка»: 213 Bi с вероятностью 2% может превратиться в 209 Tl, а тот уже переходит в 209 Pb. Более интересной особенностью ряда нептуния является отсутствие газообразных «эманаций», а также конечный член ряда – висмут вместо свинца . Период полураспада родоначальника этого искусственного ряда равен «всего» 2,14 млн. лет, поэтому нептуний, даже если бы он присутствовал при формировании Солнечной системы, не смог бы «дожить» до наших дней, т.к. возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет, и за это время (более 2000 периодов полураспада) от нептуния не осталось бы ни единого атома.

В качестве примера можно привести распутанный Резерфордом сложный клубок событий в цепи превращения радия (радий-226 – шестой член радиоактивного ряда урана-238). На схеме приведены как символы времен Резерфорда, так и современные обозначения нуклидов, а также тип распада и современные данные о периодах полураспада; в приведенном ряду также существует небольшая «вилка»: RaC с вероятностью 0,04% может перейти в RaC""(210 Tl), который затем превращается в тот же RaD (T 1/2 = 1,3 мин). У этого радиоактивного свинца довольно большой период полураспада, поэтому за время эксперимента часто можно не считаться с его дальнейшими превращениями.

Последний член этого ряда, свинец-206 (RaG), стабилен; в природном свинце его 24,1%. Ряд тория приводит к стабильному свинцу-208 (содержание его в «обычном» свинце 52,4%), ряд актиния – к свинцу-207 (содержание в свинце 22,1%). Соотношение этих изотопов свинца в современной земной коре, конечно, связано как с периодом полураспада материнских нуклидов, так и с их исходным соотношением в веществе, из которого образовалась Земля. А «обычного», нерадиогенного, свинца в земной коре всего 1,4%. Так что не будь исходно на Земле урана и тория, свинца в ней было бы не 1,6·10 –3 % (примерно как кобальта), а в 70 раз меньше (как, например, таких редких металлов как индий и тулий!). С другой стороны, воображаемый химик, прилетевший на нашу планету несколько миллиардов лет назад, нашел бы в ней значительно меньше свинца и намного больше урана и тория...

Когда Ф.Содди в 1915 выделил из цейлонского минерала торита (ThSiO 4) образовавшийся при распаде тория свинец, его атомная масса оказалась равной 207,77, то есть больше, чем у «обычного» свинца (207,2) Это отличие от «теоретического» (208) объясняется тем, что в торите было немного урана, который дает свинец-206. Когда американский химик Теодор Уильям Ричардс, авторитет в области измерения атомных масс, выделил свинец из некоторых урановых минералов, не содержащих тория, его атомная масса оказалось равной почти в точности 206. Чуть меньше была и плотность этого свинца, причем она соответствовала расчетной:

r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), где r (Pb) = 11,34 г/см 3 . Эти результаты наглядно показывают, почему для свинца, как и для ряда других элементов, нет смысла измерять атомную массу с очень высокой точностью: образцы, взятые в разных местах, дадут немного разные результаты (см. УГЛЕРОДНАЯ ЕДИНИЦА ).

В природе непрерывно происходят приведенные на схемах цепочки превращений. В результате одни химические элементы (радиоактивные) превращаются в другие, и такие превращения происходили в течение всего периода существования Земли. Начальные члены (их называют материнскими) радиоактивных рядов – самые долгоживущие: период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, тория-232 – 14,05 млрд. лет, урана-235 (он же «актиноуран» – родоначальник ряда актиния) – 703,8 млн. лет. Все последующие («дочерние») члены этой длинной цепочки живут существенно меньше. В таком случае наступает состояние, которое радиохимики называют «радиоактивным равновесием»: скорость образования промежуточного радионуклида из материнского урана, тория или актиния (эта скорость очень мала) равна скорости распада этого нуклида. В результате равенства этих скоростей содержание данного радионуклида постоянно и зависит только от периода его полураспада: концентрация короткоживущих членов радиоактивных рядов мала, долгоживущих членов – больше. Такое постоянство содержания промежуточных продуктов распада сохраняется в течение очень длительного времени (это время определяется периодом полураспада материнского нуклида, а оно очень велико). Простые математические преобразования приводят к следующему выводу: отношение числа материнских (N 0) и дочерних (N 1 , N 2 , N 3 ...) атомов прямо пропорционально их периодам полураспада: N 0:N 1:N 2:N 3 ... = T 0:T 1:T 2:T 3 ... Так, период полураспада урана-238 составляет 4,47·10 9 лет, радия-226 – 1600 лет, поэтому отношение числа атомов урана-238 и радия-226 в урановых рудах равно 4,47·10 9:1600, откуда легко подсчитать (с учетом атомных масс этих элементов), что на 1 т урана при достижении радиоактивного равновесия приходится всего 0,34 г радия.

И наоборот, зная соотношение в рудах урана и радия, а также период полураспада радия, можно определить период полураспада урана, при этом для определения периода полураспада радия не нужно ждать более тысячи лет – достаточно измерить (по его радиоактивности) скорость распада (т.е. величину dN /dt ) небольшого известного количества этого элемента (с известным числом атомов N ) и затем по формуле dN /dt = –

l N определить величину l = ln2/T 1/2 . Закон смещения. Если на периодическую таблицу элементов нанести последовательно члены какого-либо радиоактивного ряда, то окажется, что радионуклиды в этом ряду не смещаются плавно от материнского элемента (урана, тория или нептуния) к свинцу или висмуту, а «прыгают» то вправо, то влево. Так, в ряду урана два нестабильных изотопа свинца (элемент № 82) превращаются в изотопы висмута (элемент № 83), затем – в изотопы полония (элемент № 84), а те – снова в изотопы свинца. В результате радиоактивный элемент часто возвращается назад – в ту же клетку таблицы элементов, однако при этом образуется изотоп с другой массой. Оказалось, что во этих «прыжках» есть определенная закономерность, которую в 1911 заметил Ф.Содди.

Сейчас известно, что при

a -распаде из ядра вылетает a -частица (ядро атома гелия, ), следовательно, заряд ядра уменьшается на 2 (смещение в периодической таблице на две клетки влево), а массовое число уменьшается на 4, что позволяет предсказать, какой именно изотоп нового элемента образуется. Иллюстрацией может служить a -распад радона: ® + . При b -распаде, наоборот, число протонов в ядре увеличивается на единицу, а масса ядра не изменяется (см. РАДИОАКТИВНОСТЬ ), т.е. происходит смещение в таблице элементов на одну клетку вправо. Примером могут служить два последовательных превращения образовавшегося из радона полония : ® ® . Таким образом, можно подсчитать, сколько всего альфа- и бета-частиц испускается, например, в результате распада радия-226 (см. ряд урана), если не учитывать «вилки». Исходный нуклид , конечный – . Уменьшение массы (вернее, массового числа, то есть суммарного числа протонов и нейтронов в ядре) равно 226 – 206 = 20, следовательно, было испущено 20/4 = 5 альфа-частиц. Эти частицы унесли с собой 10 протонов, и если бы не было b -распадов, заряд ядра конечного продукта распада был бы равен 88 – 10 = 78. В действительности в конечном продукте 82 протона, следовательно, в ходе превращений 4 нейтрона превратились в протоны и было испущено 4 b -частицы.

Очень часто после

a -распада следуют два b -распада, и таким образом образующийся элемент возвращается в исходную клетку таблицы элементов – в виде более легкого изотопа исходного элемента. Благодаря этим фактам стало очевидным, что периодический закон Д.И.Менделеева отражает связь между свойствами элементов и зарядом их ядра, а не их массой (как это было сформулировано первоначально, когда строение атома не было известно).

Окончательно закон радиоактивного смещения был сформулирован в 1913 в результате кропотливых исследований многих ученых. Среди них следует отметить ассистента Содди Александра Флека, стажера Содди А.С.Рассела, венгерского физикохимика и радиохимика Дьёрдя Хевеши , который в 1911–1913 работал у Резерфорда в Манчестерском университете, и немецкого (а впоследствии американского) физикохимика Казимира Фаянса (1887–1975). Этот закон часто называют законом Содди – Фаянса.

Искусственное превращение элементов и искусственная радиоактивность. Еще со времен Беккереля было замечено, что самые обычные вещества, побывавшие рядом с радиоактивными соединениями, сами становятся в большей или меньшей степени радиоактивными. Резерфорд называл это «возбужденной активностью», супруги Кюри – «наведенной активностью», но суть явления долго никто не мог объяснить.

В 1919 Резерфорд изучал прохождение

a -частиц через различные вещества. Оказалось, что при ударе быстро летящих a -частиц о ядра легких элементов, например, азота, из них изредка могут выбиваться быстро летящие протоны (ядра водорода), при этом сама a -частица входит в состав ядра, которое увеличивает свой заряд на единицу. Таким образом, в результате реакции + ® + из азота образуется другой химический элемент – кислород (тяжелый его изотоп). Это была первая искусственно проведенная реакция превращения одного элемента в другой. В этой, а также всех других ядерных процессах сохраняется как суммарный заряд (нижние индексы), так и массовое число, т.е. суммарное число протонов и нейтронов (верхние индексы).

Сбылась вековая мечта алхимиков: человек научился превращать одни элементы в другие, правда, практического выхода от этого умения во времена Резерфорда никто не ожидал. Действительно, для получения

a -частиц, нужно было иметь их источник, например, препарат радия. Хуже того, на миллион «выпущенных по азоту» a -частиц в среднем получалось всего лишь 20 атомов кислорода.

Со временем были реализованы и другие ядерные реакции, и многие из них получили практическое применение. В апреле 1932 на заседании английской Академии наук (Королевского общества) Резерфорд объявил, что в его лаборатории успешно осуществлены реакции расщепления легких элементов (например, лития ) протонами. Для этого протоны, полученные из водорода, разгоняли с помощью высокого напряжения, равного десяткам или даже сотням тысяч вольт. Протоны, имея меньший, чем

a -частицы, заряд и массу, легче проникают в ядро. Внедряясь в ядро лития-7, протон превращает его в ядро бериллия -8, которое практически мгновенно «сбрасывает» избыток энергии, разваливаясь пополам, на две a -частицы: + ® () ® 2 . Если же взять легкий изотоп лития (в природном литии его 7,5%), то образуются ядра двух изотопов гелия: + ® () ® + . При обстреле протонами кислорода был получен фтор: + ® + ; при обстреле алюминия – магний: + ® + .

Множество разнообразных превращений было проведено с разогнанными до высоких скоростей дейтронами – ядрами тяжелого изотопа водорода дейтерия. Так, в ходе реакции

+ ® + впервые был получен сверхтяжелый водород – тритий . Столкновение двух дейтронов может идти иначе: + ® + , эти процессы важны для изучения возможности управляемой термоядерной реакции. Важной оказалась реакция + ® () ® 2 , поскольку она идет уже при сравнительно небольшой энергии дейтронов (0,16 МэВ) и сопровождается при этом выделением колоссальной энергии – 22,7 МэВ (напомним, что 1 МэВ = 10 6 эВ, а 1 эВ = 96,5 кДж/моль).

Большое практическое значение получила реакция, идущая при обстреле бериллия

a - частицами: + ® () ® + , она привела в 1932 к открытию нейтральной частицы нейтрона, а радий-бериллиевые источники нейтронов оказались очень удобными для научных исследований. Нейтроны с разной энергией можно получать и в результате реакций + ® + ; + ® + ; + ® + . Не имеющие заряда нейтроны особенно легко проникают в атомные ядра и вызывают разнообразные процессы, которые зависят как от обстреливаемого нуклида, так и от скорости (энергии) нейтронов. Так, медленный нейтрон может быть просто захвачен ядром, а от некоторого избытка энергии ядро освобождается путем испускания гамма-кванта, например: + ® + g . Эта реакция широко используется в ядерных реакторах для регулирования реакции деления урана: для замедления реакции в ядерный котел вдвигаются кадмиевые стержни или пластины.

В 1934 супуги Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри сделали важное открытие. Подвергнув бомбардировке

a - частицами некоторые легкие элементы (их испускал полоний), они ожидали реакции, сходной с уже известной для бериллия, т.е. выбивания нейтронов, например: Если бы дело ограничивалось этими превращениями, то после прекращения a -облучения нейтронный поток должен был немедленно иссякнуть, так что, убрав полониевый источник, они ожидали прекращения всякой активности, но обнаружили, что счетчик частиц продолжает регистрировать импульсы, которые постепенно затухали – в точном соответствии с экспоненциальным законом. Это можно было интерпретировать единственным способом: в результате альфа-облучения возникали не известные ранее радиоактивные элементы с характерным периодом полураспада – 10 мин для азота-13 и 2,5 мин для фосфора-30. Оказалось, что эти элементы претерпевают позитронный распад: ® + e + , ® + e + . Интересные результаты получились с магнием, представленным тремя стабильными природными изотопами, и оказалось, что при a -облучении все они дают радиоактивные нуклиды кремния или алюминия, которые претерпевают 227- или позитронный распад:

Получение искусственных радиоактивных элементов имеет большое практическое значение, так как позволяет синтезировать радионуклиды с удобным для конкретной цели периодом полураспада и нужным видом излучения с определенной мощностью. Особенно удобно использовать в качестве «снарядов» нейтроны. Захват нейтрона ядром часто делает его настолько нестабильным, что новое ядро становится радиоактивным. Устойчивым оно может стать за счет превращения «лишнего» нейтрона в протон, то есть за счет

227- излучения; таких реакций известно очень много, например: + ® ® + e. Очень важна протекающая в верхних слоях атмосферы реакция образования радиоуглерода: + ® + (см. РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ). Путем поглощения медленных нейтронов ядрами лития-6 синтезируют тритий. Многие ядерные превращения можно получить под действием быстрых нейтронов, например: + ® + ; + ® + ; + ® + . Так, облучая нейтронами обычный кобальт, получают радиоактивный кобальт-60, являющийся мощным источником гамма-излучения (оно выделяется продуктом распада 60 Со – возбужденными ядрами ). Путем облучения нейтронами получают некоторые трансурановые элементы. Например, из природного урана-238 образуется сначала неустойчивый уран-239, который при b -распаде (Т 1/2 = 23,5 мин) превращается в первый трансурановый элемент нептуний-239, а он, в свою очередь, также путем b -распада (Т 1/2 = 2,3 сут) превращается в очень важный так называемый оружейный плутоний-239.

Можно ли искусственным путем, проведя нужную ядерную реакцию, получить золото и таким образом осуществить то, что не удалось алхимикам? Теоретически для этого нет препятствий. Более того, такой синтез уже был проведен, однако богатство не принес. Проще всего было бы для искусственного получения золота облучать потоком нейтронов ртуть – элемент, следующий в периодической таблице за золотом. Тогда в результате реакции

+ ® + нейтрон выбил бы из атома ртути протон и превратил его в атом золота. В этой реакции не указаны конкретные значения массовых чисел (А ) нуклидов ртути и золота. Золото в природе представлено единственным стабильным нуклидом , а природная ртуть – это сложная смесь изотопов с А = 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) и 204 (6,87%). Следовательно, по приведенной схеме можно получить только неустойчивое радиоактивное золото. Его и получила группа американских химиков из Гарвардского университета еще в начале 1941, облучая ртуть потоком быстрых нейтронов. Через несколько дней все полученные радиоактивные изотопы золота путем бета-распада вновь превратились в исходные изотопы ртути...

Но есть и другой путь: если атомы ртути-196 облучать медленными нейтронами, то они превратятся в атомы ртути-197:

+ ® + g . Эти атомы с периодом полураспада 2,7 сут претерпевают электронный захват и превращаются, наконец, в стабильные атомы золота: + e ® . Такое превращение осуществили в 1947 сотрудники Национальной лаборатории в Чикаго. Облучая 100 мг ртути медленными нейтронами, они получили 0,035 мг 197Au. По отношению ко всей ртути выход очень мал – всего 0,035%, но относительно 196Hg он достигает 24%! Однако изотопа 196 Hg в природной ртути как раз меньше всего, кроме того, и сам процесс облучения и его длительность (облучать потребуется несколько лет), и выделение стабильного «синтетического золота» из сложной смеси обойдется неизмеримо дороже, чем выделение золота из самых бедных его руд (см. также ЗОЛОТО ). Так что искусственное получение золота имеет лишь чисто теоретический интерес. Количественные закономерности радиоактивных превращений. Если бы можно было проследить за конкретным нестабильным ядром, то бы предсказать, когда он распадется, не удалось бы. Это случайный процесс и лишь в отдельных случаях можно оценить вероятность распада в течение определенного времени. Однако даже в мельчайшей пылинке, почти не видимой в микроскоп, содержится огромное число атомов, и если эти атомы радиоактивны, то их распад подчиняется строгим математическим закономерностям: вступают в силу статистические законы, характерные для очень большого числа объектов. И тогда каждый радионуклид можно охарактеризовать вполне определенной величиной – периодом полураспада (T 1/2) – это время, за которое распадается половина имеющегося числа ядер. Если в начальный момент было N 0 ядер, то спустя время t = T 1/2 их останется N 0 /2, при t = 2T 1/2 останется N 0 /4 = N 0 /2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0 /8 = N 0 /2 3 и т.д. В общем случае при t = nT 1/2 останется N 0 /2 n ядер, где n = t /T 1/2 – число периодов полураспада (оно не обязательно должно быть целым). Легко показать, что формула N = N 0 /2 t /T 1/2 эквивалентна формуле N = N 0 e – l t , где l – так называемая постоянная распада. Формально она определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью распада dN /dt и имеющимся числом ядер: dN /dt = – l N (знак минус показывает, что N уменьшается со временем). Интегрирование этого дифференциального уравнения и дает экспоненциальную зависимость от времени числа ядер. Подставляя в эту формулу N = N 0 /2 при t = T 1/2 , получают что постоянная распада обратно пропорциональна периоду полураспада: l = ln2/T 1/2 = 0,693/T 1/2 . Величина t = 1/ l называется средним временем жизни ядра. Например, для 226 Ra T 1/2 = 1600 лет, t = 1109 лет.

По приведенным формулам, зная величину T 1/2 (или

l ), легко рассчитать количество радионуклида через любой промежуток времени, по ним же можно рассчитать период полураспада, если известно количество радионуклида в разные моменты времени. Вместо числа ядер можно подставить в формулу активность излучения, которая прямо пропорциональна наличному числу ядер N . Активность обычно характеризуют не общим числом распадов в образце, а пропорциональным ему числом импульсов, которые регистрирует прибор, измеряющий активность. Если есть, например, 1 г радиоактивного вещества, то чем меньше период его полураспада, тем большей активностью будет обладать вещество.

Другие математические закономерности описывают поведение малого числа радионуклидов. Здесь можно говорить лишь о вероятности того или иного события. Пусть, например, есть один атом (точнее, одно ядро) радионуклида с T 1/2 = 1 мин. Вероятность того, что этот атом проживет 1 минуту, равна 1/2 (50%), 2 минуты – 1/4 (25%), 3 минуты – 1/8 (12,5%), 10 минут – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 мин – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для единственного атома шанс ничтожный, но когда атомов очень много, например, несколько миллиардов, то многие из них, без сомнения, проживут и 20 периодов полураспада и намного больше. Вероятность же того, что атом распадется за некоторый промежуток времени, получается вычитанием полученных значений из 100. Так, если вероятность атома прожить 2 минуты равна 25%, то вероятность распада того же атома в течение этого времени равна 100 – 25 = 75%, вероятность распада в течение 3 минут – 87,5%, в течение 10 минут – 99,9% и т.д.

Формула усложняется, если нестабильных атомов несколько. В этом случае статистическая вероятность того или иного события описывается формулой с биномиальными коэффициентами. Если есть N атомов, и вероятность распада одного из них за время t равна p , то вероятность того, что за время t из N атомов распадется n (и останется соответственно N – n ), равна P = N !p n (1–p ) N –n /(N –n )!n ! Подобные формулы приходится использовать при синтезе новых нестабильных элементов, атомы которых получают буквально поштучно (например, когда группа американских ученых в 1955 открыла новый элемент Менделевий, они получили его в количестве всего 17 атомов).

Можно проиллюстрировать применение этой формулы для конкретного случая. Пусть, например, есть N = 16 атомов с периодом полураспада 1 час. Можно рассчитать, вероятность распада определенного числа атомов, например за время t = 4 часа. Вероятность того, что один атом проживет эти 4 часа, равна 1/2 4 = 1/16, соответственно, вероятность его распада за это время р = 1 – 1/16 = 15/16. Подстановка этих исходных данных в формулу дает: Р = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n )!n ! = 16!15 n /2 64 (16–n )!n ! Результат некоторых расчетов приведен в таблице:

Таблица 1.
Осталось атомов (16–n )	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Распалось атомов n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Вероятность Р , %	5·10 –18	5·10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Таким образом, из 16 атомов спустя 4 часа (4 периода полураспада) останется вовсе не один, как это можно было бы предположить: вероятность этого события равна всего 38,4%, хотя она и больше вероятности любого другого исхода. Как видно из таблицы, очень высока также вероятность того, что распадутся все 16 атомов (35,2%) или только 14 из них. А вот вероятность, что за 4 периода полураспада все атомы останутся «живы» (ни один не распался), ничтожно мала. Понятно, что если атомов не 16, а, положим, 10 20 , то можно практически со 100%-ной уверенностью говорить, что через 1 ч останется половина их числа, через 2 ч – четверть и т.д. То есть чем больше атомов, тем точнее их распад соответствует экспоненциальному закону.

Многочисленные эксперименты, проводившиеся со времен Беккереля, показали, что на скорость радиоактивного распада практически не влияют ни температура, ни давление, ни химическое состояние атома. Исключения очень редки; так, в случае электронного захвата величина T 1/2 немного меняется при изменении степени окисления элемента. Например, распад 7 BeF 2 происходит примерно на 0,1% медленнее, чем 7 BeO или металлического 7 Ве.

Общее число известных нестабильных ядер – радионуклидов приближается к двум тысячам, время их жизни меняется в очень широких пределах. Известны как радионуклиды-долгожители, для которых периоды полураспада исчисляются миллионами и даже миллиардами лет, так и короткоживущие, распадающиеся полностью за ничтожные доли секунды. Периоды полураспада некоторых радионуклидов приведены в таблице.

Свойства некоторых радионуклидов (для Тс, Pm, Ро и всех последующих элементов, у которых нет стабильных изотопов, приведены данные для их наиболее долгоживущих изотопов).

Таблица 2.
Порядковый номер	Символ	Массовое число	Период полураспада
1	T	3	12,323 года
6	С	14	5730 лет
15	Р	32	14,3 сут
19	К	40	1,28·10 9 лет
27	Со	60	5,272 года
38	Sr	90	28,5 лет
43	Тс	98	4,2·10 6 лет
53	I	131	8,02 сут
61	Pm	145	17,7 года
84	Ро	209	102 года
85	At	210	8,1 ч
86	Rn	222	3,825 сут
87	Fr	223	21,8 мин
88	Ra	226	1600 лет
89	Ac	227	21,77 года
90	Th	232	1,405·10 9 лет
91	Ра	231	32 760 лет
92	U	238	4,468·10 9 лет
93	Np	237	2,14·10 6 лет
94	Pu	244	8,26·10 7 лет
95	Am	243	7370 лет
96	Cm	247	1,56·10 7
97	Bk	247	1380 лет
98	Cf	251	898 лет
99	Es	252	471,7 сут
100	Fm	257	100,5 сут
101	Md	260	27,8 сут
102	No	259	58 мин
103	Lr	262	3,6 ч
104	Rf	261	78 с
105	Db	262	34 с
106	Sg	266	21 с
107	Bh	264	0,44 с
108	Hs	269	9 с
109	Mt	268	70 мс
110	Ds	271	56 мс
111	–	272	1,5 мс
112	–	277	0,24 мс

Самый короткоживущий из известных нуклидов – 5 Li : время его жизни составляет 4,4·10 –22 с). За это время даже свет пройдет всего 10 –11 см, т.е. расстояние, лишь в несколько десятков раз превышающее диаметр ядра и значительно меньшее размера любого атома. Самый долгоживущий – 128 Te (содержится в природном теллуре в количестве 31,7%) с периодом полураспада восемь септиллионов (8·10 24) лет – его даже трудно назвать радиоактивным; для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 10 лет.

Единицей радиоактивности нуклида служит беккерель: 1 Бк (Bq) соответствует одному распаду в секунду. Часто используется внесистемная единица кюри: 1 Ки (Ci) равен 37 миллиардам распадов в секунду или 3,7 . 10 10 Бк (примерно такую активность имеет 1 г 226 Ra). В свое время была предложена внесистемная единица резерфорд: 1 Рд (Rd) = 10 6 Бк, но она не получила распространения.

ЛИТЕРАТУРА Содди Ф. История атомной энергии . М., Атомиздат, 1979
Чоппин Г. и др. Ядерная химия . М., Энергоатомиздат, 1984
Гофман К. Можно ли сделать золото ? Л., Химия, 1984
Кадменский С.Г. Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения . «Соросовский образовательный журнал», 1999, № 11

На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.

Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда

Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.

Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.

В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.

Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:

Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.

Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .

Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.

Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:

. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.

Рис. 2. Альфа-распад

При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.

Рис. 3. Бета-распад

Список дополнительной литературы

1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
5. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука

1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в английской семье. В Новой Зеландии он получил высшее образование, а затем в 1895 г. приехал в Кембридж и занялся научной работой в качестве ассистента Томсона. В 1898 г. Резерфорд был приглашен на кафедру физики Монреальского университета Мак-Гилла (Канада), где продолжал исследование радиоактивности, начатое еще в Кембридже.

В 1899 г. в Монреале коллега Резерфорда Оунз сообщил ему, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Это наблюдение показалось любопытным, Резерфорд заинтересовался и обнаружил, что радиоактивность соединений тория, если торий находится в закрытой ампуле, сохраняет постоянную интенсивность, если же опыт производится на открытом воздухе, то она быстро уменьшается, причем на результатах сказываются даже слабые потоки воздуха. Кроме того, тела, расположенные по соседству с соединениями тория, спустя некоторое время сами начинают испускать излучение, как если бы они тоже были радиоактивными. Это свойство Резерфорд назвал «возбужденной активностью».

Резерфорд довольно скоро понял, что все эти явления можно легко объяснить, если предположить, что соединения тория испускают, кроме α-частиц, еще другие частицы, которые в свою очередь радиоактивны. Вещество, состоящее из этих частиц, он назвал «эманацией» и считал его подобным радиоактивному газу, который, располагаясь тончайшим невидимым слоем на телах, находящихся рядом с выделяющим эту эманацию торием, сообщает этим телам кажущуюся радиоактивность. Руководствуясь этим предположением, Резерфорд сумел отделить этот радиоактивный газ с помощью простой вытяжки воздуха, имевшего соприкосновение с препаратом тория, а затем, введя его в ионизационную камеру, определил таким образом его активность и основные физические свойства. В частности, Резерфорд показал, что степень радиоактивности эманации (окрещенной позднее тороном, подобно тому как были названы радоном и актиноном радиоактивные газы, испускаемые радием и актинием) очень быстро уменьшается в геометрической прогрессии в зависимости от времени: каждую минуту активность уменьшается вдвое, через десять минут она уже становится совсем незаметной.

Тем временем супруги Кюри показали, что радий тоже обладает свойством возбуждать активность близлежащих тел. Для объяснения радиоактивности осадков радиоактивных растворов они приняли выдвинутую Беккерелем теорию и назвали это новое явление «индуцированной радиоактивностью». Супруги Кюри полагали, что индуцированная радиоактивность вызывается каким-то особым возбуждением тел лучами, испускаемыми радием: нечто похожее на фосфоресценцию, которой они прямо уподобляли это явление. Впрочем, Резерфорд, говоря о «возбужденной активности», первое время тоже, должно быть, имел в виду явление индукции, которое физика XIX века вполне готова была принять. Но Резерфорду уже было известно нечто большее, нежели супругам Кюри: он знал, что возбуждение, или индукция, было не прямым следствием воздействия тория, а результатом действия эманации. Тогда Кюри еще не открыли эманации радия, она была получена Латером и Дорном в 1900 г., после того как они повторили такие же исследования радия, какие Резерфорд провел ранее с торием.

Весной 1900г., опубликовав свое открытие, Резерфорд прервал исследования и вернулся в Новую Зеландию, где должна была состояться его свадьба. По возвращении в Монреаль в том же году он встретился с Фредериком Содди (1877-1956), окончившим химический факультет в Оксфорде в 1898 г. и также недавно приехавшим в Монреаль. Встреча этих двух молодых людей была счастливым событием для истории физики. Резерфорд рассказал Содди о своем открытии, о том, что ему удалось выделить торон, подчеркнул широкое поле исследований, которое здесь открывалось, и предложил ему объединиться для совместного химико-физического изучения соединения тория. Содди согласился.

Это исследование заняло у молодых ученых два года. Содди, в частности, изучил химическую природу эманации тория. В результате своих исследований он показал, что новый газ совершенно не вступает ни в какие известные химические реакции. Поэтому оставалось предположить, что он принадлежит к числу инертных газов, а именно (как Содди определенно показал в начале 1901 г.) новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону (сейчас известно, что это один из его изотопов), который Рэлей и Рамсей обнаружили в воздухе в 1894 г.

Упорная работа двух молодых ученых увенчалась новым значительным открытием: вместе с торием в их препаратах был обнаружен другой элемент, отличавшийся по химическим свойствам от тория, а по активности превосходивший торий по крайней мере в несколько тысяч раз. Этот элемент был химически отделен от тория осаждением с помощью аммиака. По примеру Уильяма Крукса, который в 1900 г. назвал радиоактивный элемент, полученный им из урана, ураном X, молодые ученые назвали новый радиоактивный элемент торием X. Активность этого нового элемента в течение четырех дней уменьшается наполовину; этого времени было достаточно, чтобы обстоятельно изучить его. Исследования позволили сделать не подлежащий сомнению вывод: эманация тория получается вовсе не из тория, как это казалось, а из тория X. Если в некотором образце тория торий X отделялся от тория, то интенсивность радиации тория была сначала намного меньше, чем до разделения, но постепенно она увеличивалась со временем по экспоненциальному закону благодаря постоянному образованию нового радиоактивного вещества.

В первой работе 1902 г. ученые, объясняя все эти явления, пришли к выводу, что

«...радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества. Эти изменения д0лжны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов... Поэтому радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса» (Philosophical Magazine, (6), 4, 395 (1902) ).

А в следующем году они писали уже более определенно:

«Радиоактивные элементы обладают среди всех других элементов самым большим атомным весом. Это, собственно, и есть их единственное общее химическое свойство. В результате атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных частиц с массой того же порядка, что и масса атома водорода, остается новая система, более легкая, чем первоначальная, с физическими и химическими свойствами, совершенно отличными от свойств исходного элемента. Процесс распада, начавшись однажды, затем уже переходит с одной ступени на другую с определенными скоростями, вполне измеримыми. На каждой ступени испускается одна или несколько α-частиц, пока не достигаются последние ступени, когда α-частицы или электроны уже испущены. По-видимому, целесообразно было бы дать специальные названия этим новым осколкам атомов и новым атомам, которые получаются из первоначального атома после испускания частицы и существуют лишь ограниченный отрезок времени, постоянно подвергаясь дальнейшим изменениям. Их отличительным свойством является неустойчивость. Количества, в которых они могут скопляться, очень невелики, так что маловероятно, чтобы их можно было изучать обычными способами. Неустойчивость и связанное с ней испускание лучей и дают нам способ их изучения. Поэтому мы предлагаем называть эти осколки атомов "метаболонами"» (Philosophical Magazine, (6), 5, 536 (1903) ).

Предложенный термин не удержался, потому что эта первая осторожная попытка сформулировать теорию была вскоре исправлена самими авторами и уточнена в ряде неясных пунктов, которые, наверно, отметил и сам читатель. В исправленном виде теория уже не нуждалась в новом термине и лет десять спустя одним из этих молодых ученых, ставшим к тому времени уже ученым с мировым имененем и лауреатом Нобелевской премии по физике, была выражена так:

«Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома - α-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием γ-излучения. Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения...

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях» (E. Rutherford, The structure of the atom, Scientia, 16, 339 (1914) ).

В уже цитировавшейся статье 1903 г. Резерфорд и Содди составили таблицу «метаболонов», которые, согласно их теории, образуются в соответствии с их собственными опытами и опытами других ученых как продукты распада:

Таковы первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Постепенно другие вещества заняли свое место в этих семействах естественных радиоактивных элементов, и было установлено, что таких семейств всего три, из коих два имеют родоначальником уран, а третье - торий. Первое семейство насчитывает 14 «потомков», т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате последовательного распада, второе - 10, третье - 11; в любом современном учебнике физики можно найти подробное описание этих «генеалогических деревьев».

Позволим себе одно замечание. Сейчас может казаться вполне естественным, более того, само собой разумеющимся тот вывод, к которому пришли в результате своих опытов Резерфорд и Содди. По сути дела, о чем шла речь? О том, что спустя некоторое время в первоначально чистом тории оказывалась примесь нового элемента, из которого в свою очередь образовывался газ, также обладающий радиоактивностью. Образование новых элементов можно видеть наглядно. Наглядно, но не очень. Нужно иметь в виду, что количества, в которых образовывались новые элементы, были очень далеки от тех минимальных доз, которые в то время были необходимы для самого точного химического анализа. Речь шла о едва заметных следах, которые можно обнаружить лишь радиоактивными методами, по фотографии и ионизации. Но все эти эффекты можно было объяснить и другим способом (индукцией, присутствием новых элементов в исходных препаратах с самого начала, как это было при открытии радия, и т. п.). То, что распад вовсе не был так уж очевиден, ясно хотя бы из того, что ни Крукс, ни Кюри не увидели ни малейшего намека на это, хотя и наблюдали аналогичные явления. Нельзя умолчать и о том, что нужно было большое мужество, чтобы в 1903 г., в самый разгар триумфа атомистики, говорить о превращениях элементов. Эта гипотеза отнюдь не была защищена от всевозможной критики и, быть может, не устояла бы, если бы Резерфорд и Содди с удивительным упорством не отстаивали ее в течение целых десятилетий, прибегая все к новым доказательствам, о которых мы еще будем говорить.

Нам кажется уместным прибавить здесь, что теория радиоактивной индукции также оказала большую услугу науке, предотвратив распыление сил в поисках новых радиоактивных элементов при каждом проявлении радиоактивности у нерадиоактивных элементов.

2. ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ

Очень важным пунктом в теории радиоактивного распада, который мы до сих пор обходили, однако, молчанием в целях простоты изложения, является природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, ибо гипотеза, приписывающая им корпускулярные свойства, имеет определяющее значение для теории Резерфорда и Содди.

Сначала α-частицы - медленная, легко поглощаемая веществом компонента излучения - после их открытия Резерфордом не привлекали особого внимания физиков, интересовавшихся преимущественно быстрыми β-лучами, обладающими в сто раз большей проникающей способностью, нежели α-частицы.

Тот факт, что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности.

В 1900 г. Роберт Рэлей (Роберт Стретт, сын Джона Уильяма Рэлея) и независимо от него Крукс выдвинули гипотезу, не подтвержденную никаким опытным доказательством, согласно которой α-частицы несут положительный заряд. Сегодня очень хорошо можно понять те трудности, которые стояли на пути экспериментального исследования α-частиц. Этих трудностей две: во-первых, α-частицы намного тяжелее β-частиц, поэтому они незначительно отклоняются под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно, простого магнита было недостаточно, чтобы получить заметное отклонение; во-вторых, α-частицы быстро поглощаются воздухом, отчего наблюдать их становится еще труднее.

В течение двух лет Резерфорд пытался добиться отклонения α-частиц в магнитном поле, но все время получал неопределенные результаты. Наконец, в конце 1902 г., когда ему удалось благодаря любезному посредничеству Пьера Кюри получить достаточное количество радия, он смог надежно установить отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях с помощью показанного на стр. 364 устройства.

Наблюдавшееся им отклонение позволило определить, что α-частица несет положительный заряд; по характеру отклонения Резерфорд определил также, что скорость α-частицы приблизительно равна половине скорости света (позднейшие уточнения уменьшили скорость примерно до одной десятой скорости света); отношение e/m получилось равным приблизительно 6000 электромагнитных единиц. Из этого следовало, что если α-частица несет элементарный заряд, то ее масса должна быть вдвое больше массы атома водорода. Резерфорд отдавал себе отчет в том, что все эти данные в высшей степени приближенны, но один качественный вывод они все же позволяли сделать: α-частицы обладают массой того же порядка, что и атомные массы, и поэтому подобны каналовым лучам, которые наблюдал Гольдштейн, но обладают значительно большей скоростью. Полученные результаты, говорит Резерфорд, «проливают свет на радиоактивные процессы», и отражение этого света мы уже видели в цитировавшихся отрывках из статей Резерфорда и Содди.

В 1903 г. Мария Кюри подтвердила открытие Резерфорда с помощью описываемой теперь во всех учебниках физики установки, в которой благодаря сцинтилляции, вызываемой всеми лучами, которые испускает радий, можно было одновременно наблюдать противоположные отклонения α-частиц и β-лучей и невосприимчивость γ-излучения к электрическому и магнитному полям.

Теория радиоактивного распада навела Резерфорда и Содди на мысль, что все устойчивые вещества, получающиеся при радиоактивных превращениях элементов, должны присутствовать в радиоактивных рудах, в которых эти превращения происходят уже в течение многих тысяч лет. Не следует ли тогда считать гелий, найденный Рамсеем и Траверсом в урановых рудах, продуктом радиоактивного распада?

С начала 1903 г. изучение радиоактивности получило неожиданно новый толчок благодаря тому, что Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) выпустил в продажу по сравнительно умеренным ценам такие чистые соединения радия, как гидрат бромистого радия, содержащий 50% чистого элемента. До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее 0,1% чистого элемента!

К тому времени Содди вернулся в Лондон, чтобы продолжать там изучение свойств эманации в химической лаборатории Рамсея - единственной тогда в мире лаборатории, где можно было проводить исследования такого рода. Он купил 30 мг поступившего в продажу препарата, и этого количества оказалось ему достаточно, чтобы вместе с Рамсеем в том же 1903 г. доказать, что гелий присутствует в радии, имеющем возраст несколько месяцев, и что при распаде эманации образуется гелий.

Но какое место занимал гелий в таблице радиоактивных превращений? Был ли он конечным продуктом превращений радия или же продуктом какой-то из стадий его эволюции? Резерфорд очень скоро догадался, что гелий образуемся α-частицами, испускаемыми радием, что каждая α-частица является атомом гелия с двумя положительными зарядами. Но чтобы доказать это, понадобились годы работы. Доказательство было получено лишь тогда, когда Резерфорд и Гейгер изобрели счетчик α-частиц, о котором мы говорили в гл. 13. Измерение заряда отдельной α-частицы и определение отношения e/m сразу же дало для ее массы m значение, равное массе атома гелия.

И все же все эти исследования и подсчеты еще не доказывали решительно, что α-частицы тождественны с ионами гелия. В самом деле, если бы, скажем, одновременно с выбрасыванием α-частицы освобождался атом гелия, то все опыты и расчеты оставались бы в силе, но α-частица могла бы быть и атомом водорода или какого-нибудь другого неизвестного вещества. Резерфорд хорошо понимал возможность такой критики и, чтобы отклонить ее, в 1908 г. вместе с Ройдсом дал решительное доказательство своей гипотезы с помощью установки, схематически изображенной на приведенном рисунке: α-частицы, испускаемые радоном, собираются и накапливаются в трубке для спектроскопического анализа; при этом наблюдается характерный спектр гелия.

Таким образом, начиная с 1908 г. уже не было никаких сомнений в том, что α-частицы являются ионами гелия и что гелий представляет собой составную часть естественных радиоактивных веществ.

Прежде чем перейти к другому вопросу, добавим еще, что через несколько лет после обнаружения гелия в урановых рудах американский химик Болтвуд, исследуя руды, содержащие уран и торий, пришел к выводу, что последним нерадиоактивным продуктом последовательного ряда превращений урана является свинец и что, кроме того, радий и актиний - сами продукты распада урана. Таблица «метаболонов» Резерфорда и Содди должна была, таким образом, претерпеть существенное изменение.

Теория атомного распада приводила к еще одному новому интересному следствию. Поскольку радиоактивные превращения происходят с неизменной скоростью, которую не мог изменить никакой физический фактор, известный в то время (1930 г.), то по соотношению количеств урана, свинца и гелияг присутствующих в урановой руде, можно определить возраст самой руды, т. е. возраст Земли. Первый подсчет дал цифру в один миллиард восемьсот миллионов лет, но Джон Джоли (1857-1933) и Роберт Рэлей (1875-1947), проведшие важные исследования в этой области, считали эту оценку весьма неточной. Сейчас возраст урановых руд считают примерно равным полутора миллиардам лет, что не очень отличается от первоначальной оценки.

3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОСТИ

Мы уже говорили, что Резерфорд установил на опыте экспоненциальный закон убывания активности эманации тория со временем: активность уменьшается вдвое примерно за одну минуту. Все радиоактивные вещества, исследованные Резерфордом и другими, подчинялись качественно такому же закону, но каждому из них соответствовал свой период полураспада. Этот экспериментальный факт выражается простой формулой (Эта формула имеет вид

где λ постоянная полураспада, а обратная ей величина есть среднее время жизни элемента. Время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, называется периодом, или временем, полураспада. Как мы уже сказали, А, сильно изменяется от элемента к элементу и, следовательно, меняются и все другие зависящие от нее величины. Например, среднее время жизни урана I равно 6 миллиардам 600 миллионам лет, а актиния А - трем тысячным долям секунды), устанавливающей соотношение между числом N 0 радиоактивных атомов в начальный момент и числом еще не распавшихся атомов в момент t. Этот закон можно выразить иначе: доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни.

До 1930 г. не было известно какого-либо фактора, который влиял бы хоть в малейшей степени на естественную скорость этого явления. Начиная с 1902 г., Резерфорд и Содди, а затем и многие другие физики помещали радиоактивные тела в самые различные физические условия, но ни разу не получили ни малейшего изменения постоянной радиоактивного распада.

«Радиоактивность, - писали Резерфорд и Содди, - согласно нашим сегодняшним знаниям о ней, следует рассматривать как результат процесса, остающегося совершенно вне сферы действия известных нам и контролируемых сил; она не может быть ни создана, ни изменена, ни остановлена» (Philosophical Magazine, (6), 5, 582 (1903). ).

Среднее время жизни элемента - это точно определенная константа, неизменная для каждого элемента, однако индивидуальное время жизни отдельного атома данного элемента совершенно неопределенно. Среднее время жизни не уменьшается со временем: оно одно и то же как для группы только что образовавшихся атомов, так и для группы атомов, образовавшихся в ранние геологические эпохи. Короче говоря, прибегая к антропоморфному сравнению, можно сказать, что атомы радиоактивных элементов умирают, но не стареют. В общем с самого начала основной закон радиоактивности показался совершенно непостижимым, каким остается и до наших дней.

Из всего сказанного ясно, и это было понятно сразу же, что закон радиоактивности - закон вероятностный. Он утверждает, что возможность распада атома в данный момент одинакова для всех имеющихся радиоактивных атомов. Речь идет, таким образом, о статистическом законе, который тем яснее выявляется, чем больше число рассматриваемых атомов. Если бы на явление радиоактивности влияли внешние причины, то объяснение этого закона было бы довольно простым: в таком случае атомами, распадающимися в данный момент, были бы как раз те атомы, которые находятся по отношению к воздействующей внешней причине в особенно благоприятных услов-виях. Эти особые условия, приводящие к распаду атома, можно было бы, например, объяснить тепловым возбуждением атомов. Иными словами, статистический закон радиоактивности имел бы тогда такой же смысл, как и статистические законы классической физики, рассматриваемые как синтез частных динамических законов, которые из-за большого их числа просто удобно рассматривать статистически.

Но данные опыта не давали абсолютно никакой возможности свести этот статистический закон к сумме частных законов, определяемых внешними причинами. Исключив внешние причины, стали искать причины превращения атома в самом атоме.

«Так как, - писала Мария Кюри, - в совокупности большого числа атомов некоторые из них немедленно разрушаются, в то время как другие продолжают существовать в течение очень долгого времени, то нельзя уже рассматривать все атомы одного и того же простого вещества как совершенно одинаковые, а следует признать, что различие в их судьбе определяется индивидуальными различиями. Но тогда возникает новая трудность. Различия, которые мы хотим учитывать, должны быть такого рода, что они не должны определять, так сказать, «старения» вещества. Они должны быть такими, чтобы вероятность того, что атом проживет еще некоторое данное время, не зависела от того времени, в течение которого он уже существует. Любая теория строения атомов должна удовлетворять этому требованию, если она основана на высказанных выше соображениях» (Rapports et discussions du Conseil Solvay tenu a Bruxelles du 27 au 30 avril 1913, Paris, 1921, p. 68-69 ).

Точку зрения Марии Кюри разделял и ее ученик Дебьерн, который выдвинул предположение, что каждый радиоактивный атом непрерывно быстро проходит через многочисленные различные состояния, сохраняя неизменным и независимым от внешних условий некое среднее состояние. Отсюда следует, что в среднем все атомы одного и того же вида обладают одинаковыми свойствами и одинаковой вероятностью распада, обусловливаемого неустойчивым состоянием, через которое атом время от времени проходит. Но наличие постоянной вероятности распада атома предполагает чрезвычайную его сложность, поскольку он должен состоять из большого числа элементов, подверженных беспорядочным движениям. Это внутриатомное возбуждение, ограниченное центральной частью атома, может привести к необходимости введения внутренней температуры атома, которая значительно выше внешней.

Эти соображения Марии Кюри и Дебьерна, не подтвержденные, однако, никакими опытными данными и не приведшие ни к каким реальным следствиям, не нашли отклика среди физиков. Мы вспомнили их потому, что оказавшаяся безрезультатной попытка классического истолкования закона радиоактивного распада была первым, или по крайней мере наиболее убедительным, примером статистического закона, который нельзя получить из законов индивидуального поведения отдельных объектов. Возникает новая концепция статистического закона, данного непосредственно, безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Такая концепция станет ясной лишь спустя десять лет после безуспешных усилий Кюри и Дебьерна.

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

В первой половине прошлого века некоторые химики, в частности Жан Батист Дюма (1800-1884), В заметили определенную связь между атомным весом элементов и их химическими и физическими свойствами. Эти наблюдения были завершены Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907), который в 1868 г. опубликовал свою гениальную теорию периодической системы элементов, одно из самых глубоких обобщений в химии. Менделеев расположил известные в то время элементы в порядке возрастания атомного веса. Вот первые из них, с указанием их атомного веса по данным того времени:

7Li; 9,4Ве; 11В; 12С; 14N; 160; 19F;

23Na; 24Mg; 27,3Al; 28Si; 31P; 32S; 35,50Сl.

Менделеев заметил, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями от атомного веса. Например, в первом ряду выписанных элементов плотность регулярно возрастает с увеличением атомного веса, достигает максимума в середине ряда, а затем уменьшается; такую же периодичность, хотя и не столь четкую, можно видеть и в отношении других химических и физических свойств (точка плавления, коэффициент расширения, проводимость, окисляемость и т. п.) для элементов как первого, так и второго ряда. Эти изменения происходят по одинаковому закону в обоих рядах, так что элементы, которые находятся в одной и той же колонке (Li и Na, Be и Mg и т. д.), обладают аналогичными химическими свойствами. Эти два ряда называются периодами. Таким образом, все элементы можно распределить по периодам в соответствии с их свойствами. Из этого и следует закон Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

Здесь не место рассказывать об оживленной дискуссии, которую вызвала периодическая классификация, и о ее постепенном утверждении благодаря бесценным услугам, которые она оказала развитию науки. Достаточно лишь указать, что к концу прошлого столетия она была принята почти всеми химиками, которые принимали ее как опытный факт, убедившись в тщетности всех попыток теоретически ее интерпретировать.

В самом начале XX века при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал, торианит, который, как известно сейчас, представляет собой ториево-урановый минерал. Некоторое количество торианита было послано в Англию для анализа. Однако при первом анализе из-за ошибки, которую Содди приписывает известной немецкой работе по аналитической химии, был спутан торий с цирконием, из-за чего исследуемое вещество, считавшееся урановой рудой, было подвергнуто обработке по методу Кюри для отделения радия от урановой руды. В 1905 г., применив указанный способ, Вильгельм Рамсей и Отто Хан (последний обессмертил свое имя тридцать лет спустя, открыв реакцию деления урана) получили вещество, которое химический анализ определял как торий, но которое отличалось от него гораздо более интенсивной радиоактивностью. Как и в случае тория, в результате его распада образовались торий X; торон и другие радиоактивные элементы. Интенсивная радиоактивность свидетельствовала о наличии в полученном веществе нового радиоактивного элемента, химически еще не определенного. Его назвали радиоторием. Вскоре выяснилось, что он представляет собой элемент из ряда распада тория, что он ускользнул от предшествовавшего анализа Резерфорда и Содди и должен быть вставлен между торием и торием X. Среднее время жизни радиотория оказалось равным примерно двум годам. Это достаточно долгий срок, чтобы радиоторий мог заменить в лабораториях дорогостоящий радий. Помимо чисто научного интереса, эта экономическая причина побудила многих химиков попытаться выделить его, но все попытки оказались безрезультатными. Никаким химическим процессом отделить его от тория не удавалось, более того, в 1907 г. проблема, казалось, еще более усложнилась, потому что Хан открыл мезоторий - элемент, порождающий радиоторий, который тоже оказался неотделимым от тория. Американские химики Мак-Кой и Росс, потерпев неудачу, имели смелость объяснять ее и неудачи других экспериментаторов принципиальной невозможностью отделения, но их современникам такое объяснение показалось лишь удобной отговоркой. Между тем в период 1907-1910 гг. были отмечены другие случаи, когда одни радиоактивные элементы не удавалось отделить от других. Наиболее типичными примерами были торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец.

Некоторые химики уподобляли неотделимость новых радиоэлементов случаю с редкоземельными элементами, с которым химия столкнулась в XIX веке. Первое время сходные химические свойства редких земель заставили считать свойства этих элементов одинаковыми, и лишь позднее по мере совершенствования химических методов постепенно удалось отделить их. Однако Содди считал, что эта аналогия надуманная: в случае с редкими землями трудность состояла не в том, чтобы разделить элементыг а в том, чтобы установить факт их разделения. Напротив, в случае радиоактивных элементов с самого начала ясно различие двух элементов, а вот отделить их не удается.

В 1911 г. Содди провел систематическое исследование коммерческого препарата мезотория, содержащего также радий, и обнаружил, что относительное содержание одного из этих двух элементов увеличить невозможно, даже прибегая к многократной фракционной кристаллизации. Содди пришел к выводу, что два элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами и тем не менее иметь настолько сходные другие химические и физические свойства, что они оказываются неразделимыми с помощью обычных химических процессов. Если два таких элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, их следует помещать на одно и то же место в периодической таблице элементов; поэтому он назвал их изотопами.

Исходя из этой основной идеи, Содди попытался дать теоретическое объяснение, сформулировав «правило смещения при радиоактивных превращениях»: испускание одной α-частицы приводит к смещению элемента на два места влево в периодической системе. Но превращенный элемент может впоследствии вернуться в ту же клетку периодической системы при последующем испускании двух β-частиц, в результате чего два элемента будут обладать одинаковыми химическими свойствами, несмотря на различные атомные веса. В 1911 г. химические свойства радиоактивных элементов, испускающих β-лучи и обладающих, как правило, очень малой продолжительностью жизни, были еще мало известны, поэтому, прежде чем принять такое объяснение, нужно было лучше узнать свойства элементов, испускающих β-лучи. Содди поручил эту работу своему ассистенту Флекку. Работа потребовала много времени, и в ней приняли участие оба ассистента Резерфорда - Рессел и Хевеши; позднее этим занялся также Фаянс.

Весной 1913 г. работа была завершена и правило Содди было подтверждено без всяких исключений. Его можно было сформулировать очень просто: испускание α-частицы уменьшает атомный вес данного элемента на 4 единицы и смещает элемент на два места влево в периодической системе; испускание же β-частицы не меняет существенно атомного веса элемента, но смещает его на одно место вправо в периодической системе. Поэтому если за превращением, вызванным испусканием α-частицы, следует два превращения с испусканием β-частиц, то после трех превращений элемент возвращается на первоначальное место в таблице и приобретает те же химические свойства, что и исходный элемент, обладая, однако, атомным весом, меньшим на 4 единицы. Из этого ясно следует также, что изотопы двух различных элементов могут иметь одинаковый атомный вес, но различные химические свойства. Стьюарт назвал их изобарами. На стр. 371 воспроизведена схема, иллюстрирующая правило смещения при радиоактивных превращениях в форме, данной Содди в 1913 г. Сейчас мы знаем, конечно, значительно больше радиоактивных изотопов, чем знал Содди в 1913 г. Но нам не стоит, пожалуй, прослеживать все эти последующие технические завоевания. Важнее лишний раз подчеркнуть главное: α-частицы несут два положительных заряда, а β-частицы - один отрицательный заряд; испускание любой из этих частиц изменяет химические свойства элемента. Глубокий смысл правила Содди состоит, таким образом, в том, что химические свойства элементов, или по крайней мере радиоактивных элементов, пока это правило не распространено дальше, связаны не с атомным весом, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.

Явилось одним из самых важных этапов в развитии современного физического знания. Ученые пришли к правильным выводам относительно структуры мельчайших частиц не сразу. И еще намного позднее были открыты другие закономерности - например, законы движения микрочастиц, а также особенности превращения атомных ядер, которые происходят при радиоактивном распаде.

Опыты Резерфорда

Впервые радиоактивные превращения атомных ядер изучались английским исследователем Резерфордом. Уже тогда было понятно, что основная масса атома приходится на его ядро, так как электроны во много сотен раз легче, чем нуклоны. Для того чтобы исследовать положительный заряд внутри ядра, в 1906 году Резерфорд предложил исследовать атом при помощи зондирования альфа-частицами. Такие частицы возникали при распаде радия, а также некоторых других веществ. В ходе своих опытов Резерфорд получил представление о строении атома, которому было дано название «планетарной модели».

Первые наблюдения радиоактивности

Еще в 1985 году английский исследователь У. Рамзай, который известен своим открытием газа аргона, сделал интересное открытие. В минерале под названием клевеит он обнаружил газ гелий. Впоследствии большое количество гелия было найдено также и в других минералах, но лишь в тех, в состав которых входят торий и уран.

Исследователю это казалось очень странным: откуда мог взяться в минералах газ? Но когда Резерфорд начал изучать природу радиоактивности, то оказалось, что гелий представляет собой продукт радиоактивного распада. Одни химические элементы «порождают» другие, с совершенно новыми свойствами. И этот факт противоречил всему предыдущему опыту химиков того времени.

Наблюдение Фредерика Содди

Вместе с Резерфордом в исследованиях принимал непосредственное участие ученый Фредерик Содди. Он был химиком, и потому вся его работа проводилась в отношении отождествления химических элементов согласно их свойствам. На самом деле радиоактивные превращения атомных ядер впервые были замечены Содди. Он сумел выяснить, что представляют собой альфа-частицы, которыми пользовался в своих опытах Резерфорд. Произведя измерения, ученые выяснили, что масса одной альфа-частицы составляет 4 атомных единицы массы. Накопив определенное количество таких альфа-частиц, исследователи обнаружили, что они превратились в новое вещество - гелий. Свойства этого газа были хорошо известны Содди. Поэтому он утверждал, что альфа-частицы сумели захватить электроны извне и превратиться в нейтральные атомы гелия.

Изменения внутри ядра атома

Последующие исследования были направлены на выявление особенностей атомного ядра. Ученые поняли, что все преобразования происходят не с электронами или электронной оболочкой, а непосредственно с самими ядрами. Именно радиоактивные превращения атомных ядер способствовали преобразованию одних веществ в другие. Тогда еще особенности этих превращений ученым были неизвестны. Но понятно было одно: в их результате каким-то образом появляются новые химические элементы.

Впервые такую цепочку метаморфоз ученым удалось проследить в процессе превращения радия в радон. Реакции, в результате которых происходили такие превращения, сопровождавшиеся особым излучением, исследователи назвали ядерными. Убедившись, что все эти процессы протекают именно внутри ядра атома, ученые начали исследовать и другие вещества, не только радий.

Открытые виды излучений

Основная дисциплина, которая может потребовать ответов на подобные вопросы - это физика (9 класс). Радиоактивные превращения атомных ядер входят в ее курс. Проводя опыты над проникающей способностью уранового излучения, Резерфорд открыл два вида излучений, или радиоактивных превращений. Менее проникающий тип был назван альфа-излучением. Позднее было исследовано и бета-излучение. Гамма-излучение впервые было изучено Полем Виллардом в 1900 году. Ученые показали, что явление радиоактивности связано с распадом атомных ядер. Таким образом, по господствующим до тех времен представлениям об атоме как о неделимой частице был нанесен сокрушительный удар.

Радиоактивные превращения атомных ядер: основные типы

Сейчас считается, что во время радиоактивного распада происходит три вида превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, иначе называемый К-захватом. При альфа-распаде происходит испускание из ядра альфа-частицы, которая является ядром атома гелия. Само радиоактивное ядро при этом превращается в такое, которое обладает меньшим электрическим зарядом. Альфа-распад свойственен веществам, занимающим последние места в таблице Менделеева. Бета-распад также входит в радиоактивные превращения атомных ядер. Состав атомного ядра при этом типе также меняется: оно теряет нейтрино или антинейтрино, а также электроны и позитроны.

Этот тип распада сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением. При электронном захвате ядро атома поглощает один из ближайших электронов. При этом ядро бериллия может превратиться в ядро лития. Этот тип был обнаружен в 1938 году физиком из Америки по фамилии Альварес, который также изучал радиоактивные превращения атомных ядер. Фото, на которых исследователи пытались запечатлеть такие процессы, содержат изображения, похожие на размытое облако, в силу малых величин исследуемых частиц.

• экспозиционная доза
• поглощённая доза
• эквивалентная доза
• эффективная эквивалентная доза

Радиоактивность

Это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При радиоактивных превращениях, в подавляющем большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными .

Изотопы

(от греческих слов isos – «равный, одинаковый» и topos – «место»)

Это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.

Известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов .

Нуклид (от латинского nucleus – «ядро») – совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа.

Условные обозначения нуклида: , где X – буквенное обозначение элемента, Z – число протонов (атомный номер ), A – сумма числа протонов и нейтронов (массовое число ).

Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома – водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа.

Радиоактивные превращения

Могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения – процесс случайный, статистический.

Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения .

Гамма-излучение – это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью.

Рентгеновское излучение – это так же поток фотонов – обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения»).

Основные разновидности радиоактивных превращений:

• радиоактивный распад;
• деление ядер атомов.

Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением .

При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад.

Названия «альфа » и «бета » были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.

Для искусственных (техногенных) радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход и др.).

Альфа-распад

Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.

Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия (4He).

В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее , так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше .

А льфа – распад – это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных – трансурановых – элементов.

То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.

Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория – радий, при распаде радия – радон, затем полоний и наконец – свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.

Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.

Бета-распад

Бета-распад – наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов.

У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.

Пример естественного бета-активного радионуклида – калий-40 (Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его содержится всего 0,0119%.

Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е. все элементы от таллия до урана.

Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как:

– бета-минус распад;

– бета-плюс распад;

– К-захват (электронный захват).

Бета-минус распад – это испускание из ядра бета-минус частицы – электрона , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.

При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек (9/10 скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа – с большим номером.

При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный кальций-47 – в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.

Бета-плюс распад – испускание из ядра бета-плюс частицы – позитрона (положительно заряженного «электрона»), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон.

В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева.

Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) – натрий-23, а радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный изотоп самария – самарий-150.

– испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения.

При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития – литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 – в стабильный гелий-4.

Если стабильный изотоп йода – йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп – йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада .

В результате радиоактивных превращений могут образовываться изотопы других химических элементов или того же элемента , которые сами могут быть радиоактивными элементами.

Т.е. распад некоего исходного радиоактивного изотопа может привести к некоторому количеству последовательных радио-активных превращений различных изотопов разных химических элементов, образуя т. н. «цепочки распада».

Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп – уран-234.

Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом – опять в торий (торий-230). Далее торий-230 путём альфа-распада – в радий-226, радий – в радон.

Деление ядер атомов

Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части , на два «осколка».

При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде.

Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов!

Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция деления

Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв.

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию («атомную энергию ») можно использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.

Характеристики радиоактивных превращений

Период полураспада (T 1/2 ) – время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза .

Периоды полураспада у всех радионуклидов разные – от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).

Активность – это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.

Беккерель (Бк) – это один акт распада в секунду (1 расп./сек).

Кюри (Ки) – 3,7×1010 Бк (расп./сек).

Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Закон радиоактивного распада

Изменение активности нуклида в источнике с течением времени зависит от периода полураспада данного нуклида по экспоненциальному закону:

A и (t) = A и (0) × exp (-0,693 t / T 1/2 ),

где A и (0) – исходная активность нуклида;
A и (t) – активность спустя время t;

T 1/2 – период полураспада нуклида.

Зависимость между массой радионуклида (без учета массы неактивного изотопа) и его активностью выражается следующим соотношением:

где m и – масса радионуклида, г;

T 1/2 – период полураспада радионуклида, с;

A и – активность радионуклида, Бк;

А – атомная масса радионуклида.

Проникающая способность радиоактивного излучения .

Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле – 0,04 мм).

Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути, поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.

Пробег бета-частиц в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз

Меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии.

Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м , в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах – долями см.

В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см.

Кратность ослабления n- и гамма-излучений.

Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.

В качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.

По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из:

• свинца толщиной порядка 5 см;
• бетона около 33 см;
• воды – 70 см.

Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона – 55 см; воды – 115 см.

Единицы измерения в дозиметрии

Доза (от греческого – «доля, порция») облучения.

Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) – определяется по ионизации воздуха.

Единица измерения в системе СИ – «кулон на кг» (Кл/кг) – это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при создании которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд ионов одного знака, равный 1 Кл .

Внесистемной единицей измерения является «рентген» .

1 Р = 2,58 × 10 -4 Кл/кг.

По определению 1 рентген (1Р) – это такая экспозиционная доза при поглощении которой в 1 см 3 сухого воздуха образуется 2,08 × 10 9 пар ионов.

Связь между двумя этими единицами следующая:

1 Кл/кг = 3,68 ·10 3 Р.

Экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,88 рад.

Доза

Поглощённая доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная единичной массой вещества.

Под энергией излучения, переданной веществу, понимается разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия потрачена.

Единицы измерения поглощенной дозы:

Грэй (Гр) – единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

Рад – внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм.

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

Биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе оказывается различным для разных видов излучения.

Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение . Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения.

Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при легкими частицами или фотонами.

Эквивалентная доза – произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения.

Единицы измерения эквивалентной дозы:

Зиверт (Зв) – это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр

Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.

Бэр (внесистемная единица) – это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.

1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.

Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена».

До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения » (К) – поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе.

Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали – «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)».

Их значения составляют соответственно:

• рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны – 1 ;
• протоны с Е более 2 Мэв – 5 ;
• нейтроны с Е менее 10 кэв) – 5 ;
• нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв – 10 ;
• альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20 и т. д.

Эффективная эквивалентная доза – эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе , полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска ».

Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения.

В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы» .

Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1 , а для некоторых органов имеет следующие значения:

• костный мозг (красный) – 0,12; Ÿ гонады (яичники, семенники) – 0,20;
• щитовидная железа – 0,05; Ÿ кожа – 0,01 и т. д.
• лёгкие, желудок, толстый кишечник – 0,12.

Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица – Зиверт (Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины поглощённой дозы в Гр эях (в биологической ткани) на взвешивающие коэффициенты будет равно 1 Дж/кг .

Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж .

Внесистемная единица – Бэр.

Взаимосвязь между единицами измерения:

1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж/кг * К = 100 рад * К = 100 бэр

При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр :

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань.

Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр – это одно и то же.

При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем дозу 1 мЗв.

Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия:

Мощность дозы – доза, полученная за единицу времени (сек., час).

Фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Естественный фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ.

Источники поступления радионуклидов в окружающую среду

1. Естественные радионуклиды , которые сохранились до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни.

2. Радионуклиды осколочного происхождения , которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция).

3. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще – нейтрона), в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.

Области применения радионуклидных источников

Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии.

Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах (радио-и световые маяки, метеостанции).

Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов (плотно-, уровне- и толщиномеры), приборы неразру-шающего контроля (гамма-дефектоскопы), приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая.

Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации

Радиоактивные частицы , обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации , к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов.

Так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды , то в большой степени ионизации подвергается именно вода . Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур).

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно – на младенцев, детей и подростков. При воздействии радиации скрытый (инкубационный, латентный) период , то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями.

Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта:

• генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве;
• генетико-стохастический эффект , проявляющийся для наследственного аппарата соматических клеток – клеток тела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных мутаций и заболеваний (в том числе раковых);
• соматический эффект , а точнее – иммунный. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счёт разрушения клеточных мембран и других структур.

Материалы по теме