Радиоактивность и строение ядер атома

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген обнаружил, что при попадании катодных частиц на материа­лы возникает некоторое излучение.

В отличие от известных катодных лучей это излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полями и обладает большой проникающей способностью, т.к. оно проходит, сквозь экраны, полностью поглощающие катодные частицы. Среди прочих свойств этих лучей исследователей заинтересовала их способность засвечивать фотопла­стинки, обернутые в светонепроницаемую бумагу. Это излучение представляет собой электромагнитные волны очень малой длины — в тысячи раз меньше длин волн видимого света.

Французский физик А. Беккерель в 1896 г. начал выяснять, не обладают ли таким действием излучения фосфоресцирующих веществ, которые начинают сами светиться после освещения каким-либо источником. В этих исследованиях Беккерель случайно обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, заставляющие почернеть фотографическую пластинку, даже и в тех случаях, когда они предварительно не освещались солнечным светом. Это свойство было названо радиоактивностью.

Над раскрытием загадки урана стали работать исследовательница Мария Склодовская-Кюри (1867—1934 гг.) и ее муж— французский физик Пьер Кюри (1859—1906 гг.). В 1898 г. супругам Кюри удалось выделить из урано­вой руды два новых элемента — радий и полоний. Удалось обнаружить, что и торий, аналогично урану, обладает свойством радиоактивности. Радиоактивность радия оказалась в несколько миллионов раз сильнее радиоактивности равных весовых количеств урана, а поло­ний оказался еще почти в 3000 раз активнее радия.

Оказалось, в каких бы соединениях ни присутствовали радиоактивные элементы, какими бы физическими и хи­мическими свойствами ни обладали эти соединения, их радиоактивные свойства оставались неизменными. Высо­кая температура или давление также не оказывали влия­ния на радиоактивные свойства. Стало очевидным, что явление радиоактивности связано с процессами, проте­кающими в глубинных «недрах» атомов, недоступных обычным средствам воздействия.

При исследовании радиоактивного излучения было обнаружено, что оно неоднородно по своему составу. В электрическом или магнитном поле это излучение разделяется на три вида излучения, названных - (альфа), - (бета) и - (гамма) – излучениями.

-лучи оказались потоком отрицательно заряженных частиц — электронов, схожих по своим свойствам с катод­ными лучами, и летящих со скоростями, близкими к скорости света.

-лучи, не отклоняющиеся ни в элек­трическом, ни в магнитном поле, оказались схожими с рентгеновскими лучами,

но обладали еще большей (в де­сятки и сотни раз) энергией и соответственно меньшей длиной волны.

-лучи оказались потоком ионов гелия с положительным зарядом, летящих со скоростя­ми, примерно в 20 раз меньшими, чем скорость света.

В 1900 г. английский ученый Э. Резерфорд, ис­следуя состав газа, появляющегося над соединениями радия, показал, что этот газ представляет собой смесь двух инертных газов - радона и гелия, при­чем количество радона, быстро возрастающее в течение первых нескольких дней, затем становится примерно постоянным. Количество гелия продолжает нарастать с постоянной скоростью во времени. Ясно, что гелий, на­капливавшийся в сосу­де над радием, возни­кал вследствие испуска­ния препаратом -ча­стиц. Эти частицы, за­хватывая по два элек­трона, превращались в нейтральные атомы ге­лия. Причиной же по­явления радона одно­временно с гелием яв­лялось то, что атомы радия, испуская -ча­стицы, превращались в атомы другого эле­мента - радона.

Впервые было доказано превращение элементов - элемент радий превращался в элементы гелий и радон.

Поскольку воздействие температуры, давления, химиче­ских реактивов не сказывается на радиоактивных свой­ствах элементов, скорость радиоактивного превращения раз­личных веществ может быть охарактеризована вполне определенным образом. Такой характеристикой выбран период полураспада радиоактивного элемента. Периодом полураспада назы­вается промежуток времени, в течение которого число радиоактивных атомов элемента уменьшается вдвое. Средняя про­должительность жизни выводится из соотношения, что число актов радиоактивного распада в единицу времени всегда пропорционально числу еще не распав­шихся атомов. В течение средней продолжительности жизни (которая в 1,44 раза больше периода полурас­пада) число данного вида радиоактивных атомов умень­шается в е раз.

Поскольку радиоактивный распад сопровождается превращением атомов, то в образце любого исходного «материнско­го» радиоактивного вещества с течением времени появ­ляются примеси продуктов его распада - «дочерних» веществ. Если «дочерние» вещества также являются радио­активными, то они будут, в свою очередь, испытывать радиоактивный распад и их концентрация в образце «материнского» вещества придет, в конце концов, к постоянному, уже не изменяющемуся «вековому» значению. В образ­це радиоактивного вещества устанавливается равновесие, причем равновесные концентрации всех «дочерних» ве­ществ пропорциональны их периодам полураспада

Становится понятным различие в накоплении радона и гелия при рас­паде радия. Один из продуктов распада — радон — сам является радиоактивным, причем период его полураспа­да близок к 92 часам. Поэтому по истечении нескольких суток распад радона компенсирует его обра­зование за счет распада радия, и количество радона более почти не увеличивается. Второй же продукт рас­пада — гелий не радиоактивен, и его количество со временем непрерывно возрастает. Понятно, что количество радона приближается в описанных опытах к постоянству только благодаря равновесию с «поставщиком» радона - радием. Если же отделить радон от радия, то количество радона будет довольно быстро уменьшаться—через 92 часа останется лишь 50% от исходного количества, еще через 92 часа—25% и т. д.

Радий и полоний также являются двумя представителями «дочерних» веществ распада урана. Поэтому их и удалось обнаружить при обработке урановой руды.

Сущность явления радиоактивности состоит в самопроизвольных превращениях в глубинах атомов радиоактивных элементов, причем независимо от того, происходит ли при этом превращение радиоактивных элементов в другие (как при испускании - или -частиц) или не происходит (как при испускании -лучей), радиоактивность всегда связана с такими перестройками в атоме, для которых требуется энергия превосходящая энергию химических превраще­ний. Каждый акт - или -распада обязательно связан с превращением элементов. При этом испускание - или -частиц может сопровождаться испусканием -лучей или происходить без испускания -лучей.

О величине энергии, связанной с радиоактивным распадом, можно судить хотя бы по тому, что испускае­мые при этом - и -частицы имеют такие скорости, как если бы они ускорялись электрическим полем в несколь­ко миллионов вольт.