Радіоактивне випромінювання та його властивості
Французький фізик А. Беккерель в 1896 р. при вивченні люмінесценції солей урану випадково виявив самовільне випускання ними випромінювання невідомої природи, яке діяло на фотопластинку, іонізувало повітря, проникало крізь тонкі металеві пластинки. Беккерель показав, що всі сполуки урану мають властивість мимовільного випромінювання, і інтенсивність цього випромінювання залежить від вмісту урану. Це випромінювання залежить від температури в інтервалі від – 200 0 З до +200 0 З.
Продовжуючи дослідження цього явища, подружжя Кюрі – Марія та П'єр – виявило, що беккерелівське випромінювання властиве не тільки урану, а й багатьом іншим важким елементам, таким як торій та актиній. Вони показали також, що смоляна уранова обманка (руда, з якої видобувається металевий уран) випускає випромінювання, інтенсивність якого в багато разів перевищує інтенсивність випромінювання урану. Їм вдалося виділити два нових елементи – полоній та радій.
Виявлене випромінювання було названо радіоактивним випромінюванням, а саме явище - випромінювання радіоактивного випромінювання радіоактивністю. Подальші досліди показали, що радіоактивні властивості елемента обумовлені структурою його ядра.
В даний час підрадіоактивністюрозуміють здатність деяких атомних ядер мимоволі перетворюватися на інші ядра з випромінюванням різних видів радіоактивних випромінювань і елементарних частинок. Радіоактивність поділяється наприродну(спостерігається у нестійких ізотопів, що існують у природі) таштучну(спостерігається в ізотопів, отриманих за допомогою ядерних реакцій). Принципова різниця між цими двома типамирадіоактивності немає, оскільки закони радіоактивного перетворення у обох випадках однакові.
Роботу з вивчення явища радіоактивності продовжив Резерфорд, який поставив завдання з'ясувати природу радіоактивних променів. Для цього він використав метод відхилень у магнітному полі. Виявилося, що випромінювання, яке дається радіоактивною речовиною, в магнітному полі поділяється на три компоненти. Вони були названі променями.
a-випромінювання відхиляється електричним і магнітним полями, має високу іонізуючу здатність і малу проникаючу здатність (наприклад, поглинаються шаром алюмінію товщиною приблизно 0,05 мм). a-Випромінювання являє собою потік ядер гелію; заряд a-частинки дорівнює+2е,амасса збігається з масою ядра ізотопу гелію. Швидкість a-часток м/с.
b-випромінювання відхиляється електричним та магнітним полями; його іонізуюча здатність значно менша (приблизно на два порядки), а проникаюча здатність набагато більша (поглинається шаром алюмінію товщиною приблизно 2 мм), ніж у a-часток. b-Випромінювання являє собою потік швидких електронів, швидкість яких . Воно сильно розсіюється у речовині.
g-випромінювання не відхиляється електричним і магнітним полями, має відносно слабку іонізуючу здатність і дуже велику проникаючу здатність (наприклад, проходить через шар свинцю товщиною 5 см), при проходженні через кристали виявляє дифракцію. g-Випромінювання є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням з надзвичайно малою довжиною хвилі l -10 м і внаслідок цього - яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто. є потоком частинок - g-квантів (фотонів).
Підрадіоактивним розпадом, або просторозпадом, розуміють природне радіоактивне перетворення ядер,те, що відбувається мимоволі. При радіоактивному перетворенні відбувається зміна будови та складу вихідного ядра, причому ця зміна визначається внутрішньоядерними процесами. Атомне ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, називаєтьсяматеринським,виникає ядро -дочірнім.
Так як окремі радіоактивні ядра розпадаються незалежно один від одного, можна вважати, що число ядерdN,розпалися в середньому за інтервал часу відtдоt+dt,пропорційно проміжку часуdtі числуNядер, що не розпалися, до моменту часуt:
, (21.1)
де - постійна для даної радіоактивної речовини, званапостійної радіоактивної розпаду. Знак мінус вказує, що кількість ядер, що не розпалися, з часом зменшується.
Розділимо змінні (21.1): і проінтегруємо отриманий вираз: ; . Тоді: , (21.2)
деN0 - початкова кількість ядер, що не розпалися (у момент часу t=0),N- кількість ядер, що не розпалися, в момент часуt.
Формула (21.2) виражаєзакон радіоактивного розпаду, згідно з яким кількість ядер, що не розпалися, зменшується з часом за експоненційним законом.
Період напіврозпаду– проміжок часу, протягом якого кількість радіоактивних ядер у середньому зменшується вдвічі. Тоді, згідно (21.2), , звідки: .
Для різних елементів цей період часу різний. Для радію Ra: =1590 років; для радону Rn: = 3,8 дні.
Середнє життяtрадіоактивного ядра є величина, зворотна постійної радіоактивного розпаду l: .
Активність радіоактивного елемента визначає кількість ядер, що розпалися за одиницю часу:
.
Одиниця активності в СІ -беккерель(Бк): 1 Бк - активність ядра,коли за 1свідбувається один акт розпаду.
Радіоактивний розпад відбувається відповідно до законів збереження масового числа та електричного заряду. Ці закони дозволяють встановити «правила усунення», якими можна визначити, який елемент виникає в результаті радіоактивного перетворення.
a-Распад.Перетворення атомних ядер, що супроводжуються випромінюваннямa-часток (ядер атомів гелію), називаєтьсяa-розпадом. Якщо символом позначити материнське ядро, перетворення цього ядра приa-розпаді відбувається за схемою:
, (22.1)
де - Символ дочірнього ядра; - g-квант, що випускається ядром, що знаходиться у збудженому стані. Як видно з (22.1),a-розпад зменшує масове число на 4, а заряд ядра – на 2 елементарні позитивні заряди, тобто відбуваєтьсяпереміщенняхімічного елемента на дві клітинкивлівоу періодичній системі елементів Менделєєва. Наприклад, .
Процесa-розпаду складається з двох стадій: утворенняa-частки в ядрі атома та випромінювання її ядром. Стійкість віртуальної освіти з двох протонів та двох нейтронів є наслідок насичення ядерних сил. Наa-частинку в ядрі діють як ядерні сили тяжіння, так і кулонівські сили відштовхування.a-частка, що утворилася, схильна до меншої дії ядерних сил, але більшої дії кулонівських сил, ніж окремі протони, що входять до складуa-частки.
-Розпад. Дослідження засвідчили, що радіоактивні ядра можуть викидати потік електронів. Масове число приb-розпаді не змінюється, а зарядове число збільшується на одиницю:
.
Отже, новий хімічний елементпереміщаєтьсяна одну клітинкувправоперіодичної системи Менделєєва. Раз не змінюється масове число, отже, не повинен змінюватися сумарний спин всіх нуклонів в ядрі, але електрон, що має спином,повинен змінювати спин ядра. Однак приb-розпаді не відбувається зміни спини ядра. В.Паулі припустив, що разом з електроном з ядра має вилетіти ще одна частка, що отримала назву нейтрино (3) (v). Вона не має заряду та маси спокою, але повинна мати спин, рівний спині електрона.При одночасному вильоті з ядра електрона і нейтрино можливо, що їх спини орієнтовані у взаємно протилежних напрямках, тому сумарний спин ядра не змінюється.
За сучасними уявленнями, існує три різновидиb-розпаду: електронний (b– -розпад); позитронний (b + -розпад); До-захоплення. Частка, що випускається при позитронному розпаді, називаєтьсянейтрино(v), а при електронному - антинейтрино ( ).
b- -розпадпротікає за схемою: .
Наприклад, за теорією Фермі, у ядрі можливі перетворення нуклонів, у яких з'являються електрони і антинейтрино: .
b + -розпад протікає за схемою: ,
де-позитрон. Цей вид розпаду можливий тоді, коли в ядрі один із протонів перетворюється на нейтрон. Через війну утворюється позитрон і нейтрино: . На протікання цієї реакції витрачається енергія, оскільки маса нейтрона більша за масу протона.
У випадкуК-захоплення(або електронного захоплення) збуджене ядро захоплює електрон К-оболонки атома, при цьому один із протонів ядра перетворюється на нейтрон і виникає нейтрино:
.
У разі захоплення відбувається випромінювання характеристичного рентгенівського випромінювання.