 |
|
Радіоактивність, її властивості
Вивчаючи фосфоресцентне свічення мінералів, А. Беккерель в 1896 р. знайшов, що солі урану випускають невидимі промені, яким притаманна висока проникаюча здатність (фотопластинки, які були загорнуті в чорний папір, “засвічувались”, коли поблизу розташовували сіль урану). Це випромінювання було спочатку назване беккерелевими променями. Характерні особливості цього випромінювання – самодовільність і постійність, повна не залежність від зовнішніх умов (освітлення, тиску і температури).
П. Кюрі і М. Складовська-Кюрі, які зайнялися вивченням беккерелевих променів, перебрали майже всі відомі на той час мінерали з метою знайти в них таке ж саме випромінювання. Так, вони встановили, що уранова смоляна руда дає випромінювання, інтенсивність якого в 4 рази більша інтенсивності солей урану. В 1898 р. подружжя Кюрі відкрили два елементи – полоній і радій, які випускали відкрите Беккерелем випромінювання.
М. Складовська-Кюрі (єдина жінка, яка була нагороджена двома Нобелевськими преміями), П. Кюрі та Е. Резерфорд вивчили фізичну природу беккерелевих променів. В магнітному полі потік беккерелевих променів розділяється на три частини – компоненти, які названі альфа (a)-, бета (b)- і гамма (g)-променями. Речовини, які випускають відкрите Беккерелем випромінювання, назвали радіоактивними, а властивість речовин випромінювати a-, b-, g-промені назвали радіоактивністю або радіоактивним розпадом. Було встановлено, що при a- і b-розпадах утворюються ядра нових елементів.
Альфа-випромінювання. Надалі Резерфорд, Кюрі та їх співробітники довели, що a-частинки являють собою ядра гелію 
He, тобто мають заряд вдвічі більший за модулем, ніж заряд електрона (q = 2е, е = 1.6×10–19 Кл) завдяки 2 протонам, та масу, яка в 4 рази більша, ніж маса ядра атома водню (m = 4m0, m0 = 1.67×10–27 кг) завдяки 2 протонам і 2 нейтронам.
Бета-випромінювання. Бета-випромінювання буває двох типів: 1) електронне бета-випромінювання, що складається із швидких електронів, які вилітають з ядра атома, 2) позитронного бета-випромінювання. Позитрон, що також вилітає з ядра, є античастинка по відношенню до електрона, яка відрізняється від нього лише знаком заряду і магнітного моменту. Позитрон був відкритий теоретично В. Паулі та
П. Дираком в 1930 р. та експериментально Андерсоном в 1932 р. при дослідженні космічних променів в камері Вільсона, що була вміщена у магнітне поле. Принципове пояснення дивовижного факту вильоту з ядра електронів і позитронів в той час, коли, як добре відомо, ядро складається лише з протонів та нейтронів, дав Е. Фермі в 1934 р. За Е. Фермі, бета-випромінювання відбувається внаслідок самодовільного перетворення частинок ядра – нуклонів (цю назву, що об’єднує протони і нейтрони всередині ядра, запропонував В.Гейзенберг) за такими схемами:
(10.5)
Тут використані такі позначення: 
– нейтрон, 
– протон, 
– електрон, 
– позитрон, 
і 
– нейтрино та антинейтрино. Таким чином, перетворення нейтрона у протон у ядрі атома супроводжується електронним бета-випромінюванням, а обернений процес – перетворення протона в нейтрон – позитронним бета-випромінюванням. Cлід зазначити, що термін бета-випромінювання асоціюється, як правило, з електронами.
Існує ще один процес, який відносять також до бета-розпаду - електронне К-захоплення, при якому відбувається взаємне перетворення нуклонів ядра:
. (10.6)
При цьому процесі електрон, що знаходиться на найближчій до ядра К-орбіти захоплюється ядром, в результаті чого протон перетворюється в нейтрон і випромінюється нейтріно. При К-захопленні (значно рідше відбуваються процеси L- і М-захоплення, тобто поглинання ядром електронів з L- або М- оболонок) число протонів Z, яке визначає порядковий номер хімічного елементу, зменшується на одиницю. Внаслідок такого процесу утворюється ядро елемента, який розташований в періодичній системі Менделєєва на попередньому місці, як це має місце при позитронному b-розпаді. Прикладом такого перетворення хімічних елементів внаслідок К-захоплення є реакція
.
Слід зауважити, що фізики досить довго мали труднощі з поясненням неперервного спектру бета-випромінювання (мал. 10.6). Дійсно, здавалося зовсім незрозумілим з точки зору закону збереження енергії, як при фіксованих енергіях протона і нейтрона енергія бета-частинки може змінюватися в досить широких межах, а не бути фіксованою. При фіксованій енергії бета-частинки її спектр мав би бути, звичайно, лінійчаcтим. Висловлювалось навіть таке припущення, що при b-розпадах може не виконуватися закон збереження енергії. Але згодом Е. Фермі знайшов вірне пояснення неперервному спектрові бета-випромінювання, припустивши наявність ще однієї частинки – нейтріно n (при позитронному b-розпаді) та антинейтріно (при електронному b-розпаді). Саме Е. Фермі ввів термін “нейтріно”, що означає “маленький нейтрон”, хоча гіпотезу про можливість існування такої нейтральної частинки висловив
В. Паулі в 1930 р., тобто за 4 роки до теорії b-розпаду
Е. Фермі. Фіксована різниця енергій протона і нейтрона перерозподіляється між b-частинками та нейтріно і антинейтріно, причому кути розльоту цих частинок не є постійними і в кожному акті b-розпаду вони змінюються. Ці теоретичні та експериментальні факти підтверджують неперервність спектру b-частинок.
Гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання, як і рентгенівське випромінювання, належить до більш широкого класу електромагнітних випромінювань. В основному фізична природа гамма-випромінювання пов’язана з переходами нуклонів ядра з одного стаціонарного енергетичного рівня на інший подібно до того, як перехід між стаціонарними енергетичними рівнями атомів та молекул супроводжується випромінюванням або поглинанням електромагнітного випромінювання радіо-, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового діапазонів. Тому енергія g-фотона при гамма-випромінюванні може бути знайдена за відомою формулою Бора-Зоммерфельда:
hn = DE, (10.7)
де DE – різниця енергій стаціонарних рівнів ядра атома, між якими відбувається перехід нуклонів. Звичайно, частота n та, відповідно, довжина хвилі 
гамма-випромінювання визначається цією енергією DE. Так, при енергії g-променів в 0.5 МеВ довжина їх хвилі дорівнює l » 2.5×10–12 м.
Слід підкреслити, що 1) гамма-випромінювання не приводить до зміни порядкового номеру хімічного елементу через нульовий заряд g-квантів, тобто тільки за рахунок гамма-випромінювання не може відбутися перехід ядер одного елементу в ядра іншого елементу; 2) гамма-випромінювання відбувається одночасно з іншими радіоактивними перетвореннями - a-розпадом, всіма типами b-розпаду ( електронним, позитронним і електронним К-захопленням), спонтанним діленням атомних ядер тощо.
Таким чином, радіоактивність – це такий процес, внаслідок якого відбуваються а) самодовільне перетворення ядер одного хімічного елементу в ядра іншого елементу, яке супроводжується випромінюванням ядер гелію (a-розпад) або електронів і позитронів (b-розпад), а також б) самодовільне випромінювання з ядра хімічного елементу короткохвильового електромагнітного випромінювання (g-розпад), яке супроводжує a- і b-розпади.