Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения

Открытие явления радиоактивности определило развитие науки и общества в течение всего XX века. Возможно, исследование радиоактивности и ядра атома стало важнейшим, что произошло в науке того времени. История, которая привела к открытию радиоактивности, началась 8 ноября 1895 года, когда немецкий физик Вильгельм Конрад Рёнтген проводил опыты с катодной трубкой. Дело было в ноябре, когда темнело рано, а рядом с экспериментальной установкой стоял экран, пропитанный раствором люминофора, и Рёнтген неожиданно обнаружил лёгкое свечение этого экрана. Взяв кусочек свинца и поднеся его к экрану учёный увидел удивительную вещь: на экране была тень от пальцев, на которой он увидел свои кости. Никто раньше не мог увидеть свой собственный скелет. Это открытие вызвало ажиотаж не только в научных кругах, но и в обществе.

Когда было обнародовано сообщение об этом открытии во Франции Беккерель решил установить возможную связь между явлением люминесценции и таинственными лучами. Экспериментируя с солями урана, Беккерель завернул фотопластинку в плотную чёрную бумагу, положил на неё сверху несколько кусочков урановой соли и выставил всё это на солнечный свет. После проявления фотопластинки на ней обнаружились тёмны пятна в тех местах, где лежали крупинки соли. Учёный полагал, что это излучение возникает под действием солнечных лучей. Но однажды, в феврале 1896 года, провести очередной опыт ему не удалось из-за плохой погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на неё сверху медный крест, покрытый солью урана.

Два дня спустя Беккерель на всякий случай проявил фотопластинку и с удивлением обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени креста. 23 марта 1896 года Беккерель продемонстрировал результаты опытов на заседании Парижской академии наук, предположив, что обнаружил разновидность фосфоресценции, но не обычной, а «невидимой и долгосрочной». В том же 1896 году Беккерель убедился, что открытое им излучение не является фосфоресценцией, так как оно, подобно рентгеновским лучам, ионизирует воздух и разряжает электроскоп.

Однако учёный долго не хотел принимать этот факт. В 1897 году он сделал лишь один доклад, в котором резюмировал результаты своей работы. В частности, он объявил о разряжении электроскопа урановыми лучами и о том, что интенсивность самопроизвольного излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Отсюда следовало, что это свойство присуще не соединениям, а самому химическому элементу урану, точнее — его атомам.

После этого Беккерель вернулся к изучению фосфоресценции, оставив теорию «урановых лучей» в зачаточном состоянии. Но исследования Беккереля стали фундаментом для работ других французских учёных — супругов Пьера и Марии Кюри. Систематическое исследование руд, содержащих уран, с помощью пьезоэлектрических весов, разработанных Пьером и его братом Жаком, квадрантного электрометра и ионизационной камеры, подсоединённой к батарее, позволило Марии Склодовской-Кюри к началу 1898 года открыть радиоактивность ряда веществ, в том числе тория.

13 июня того же года супруги Кюри смогли выделить новый, ранее неизвестный химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Кюри — Польши.

В середине ноября супруги Кюри вернулись к своим опытам и буквально через месяц смогли выделить новый химический, который был в 2—3 миллиона раз активнее урана. 20 декабря новый элемент в лабораторной книге Кюри получил название «радий», что по латыни означает «лучистый».

Тридцатого (30) января тысяча восемьсот девяносто девятого (1899) года Мария Склодо́вская-Кюри опубликовала статью «Лучи Беккере́ля и поло́ний», в которой впервые вводит термины «радиоактивность» и «радиоактивный элемент».

В течение четырёх лет Мария Склодовская-Кюри работала над выделением радия, одного из новых элементов, и к 1902 году было получено порядка 100 мг радия. Казалось бы, что особенного: ещё один химический элемент, их открывают до сих пор. Но это было не просто открытие ещё одного элемента. Радий обладал уникальными свойствами: самопроизвольно разогревался, светился в темноте. У учёных оказался важнейший исследовательский инструмент в руках. Они стали изучать излучение, которое испускает радий, пытались понять природу энергии, которая заставляет его греться, светиться и испускать лучи.

Была проведена серия экспериментов с препаратами радия. К ним можно отнести эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, которые в итоге привели к представлениям о строении атома, к понятию о том, что внутри атома есть ядро, которое положительно заряжено. Были проведены первые ядерные реакции, то есть превращение одних элементов в другие с помощью излучения радия. Удалось установить, что при распаде радия образуются новые химические элементы, и была выяснена природа радиоактивности. Стало понятно, что радиоактивность — это процесс самопроизвольного превращения ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, гамма-квантов или более лёгких ядер. Так был положен конец представлениям, которые бытовали в химии на протяжении столетий, о неизменности химических элементов.

После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. В 1899 году уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд поставил классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Установка состояла из толстостенного свинцового ящика внутрь которого помещались крупицы урановой соли. Из ящика сквозь узкое отверстие выходил направленный и сфокусированный пучок радиоактивного излучения и попадал на фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно тёмное пятно в том месте, куда попадал пучок.

Однако оказалось, что если пропустить излучение урана через магнитное поле, то излучение разделяется на два компонента, которые позже были названы альфа- и бета-лучами согласно первым буквам греческого алфавита.

В 1900 году Беккерель первым измерил (приблизительно) отношения заряда к массе бета-частиц и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей. Проще говоря, бета-лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Отсюда следовало, что при бета-распаде ядро атома теряет один электрон, в результате чего образуется ядро нового элемента с тем же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше, чем у материнского ядра:

Здесь важно понимать, что электрон теряет не атом (в этом случае образовался бы положительный ион), а ядро атома в результате, как оказалось, распад нейтрона на протон, электрон и ещё какую-то нейтральную безмассовую частицу:

В 1932 году американский физик Карл Андерсон при наблюдении космического излучения с помощью камеры Вильсона смог сфотографировать следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного поля, противоположный следам электронов.

Это свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Андерсон назвал эти частицы «позитронами». Дальнейшие исследования позитронов показали, что их масса равна массе электрона, а заряд — модулю заряда электрона.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли ещё один источник позитронов — бета плюс-радиоактивность.

Таким образом, существует два вида бета-распада:

Интересно, что изучение бета-распада показало, что в нём как-бы нарушаются два фундаментальных закона: закон сохранения энергии и импульса. Поэтому 4 декабря 1930 года швейцарский физик Вольфганг Эрнст Паули предположил, что при бета-распаде рождается ещё какая-то частица, которая и уносит часть энергии и импульса. Паули назвал её нейтроном. Однако впоследствии, как мы знаем, «нейтроном» была названа другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах итальянца Энрико Ферми 1933—1934 годов на итальянский манер была названа «нейтрино», что в переводе означает «нейтрончик».

Свойства нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому оно было экспериментально обнаружено только в середине 50-х годов ХХ в. американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коуэном.

Фактически в любом веществе нейтрино ведёт себя так, как будто вещества нет. Например, если бы железная плита имела толщину, равную расстоянию от Земли до Солнца, то она задержала бы лишь одно из ста миллионов нейтрино. Поэтому нейтрино свободно пронизывает космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные тела.

Таким образом, при бета минус-распаде ядра самопроизвольно испускают электрон и электронное антинейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу больше:

При бета плюс-распаде ядра самопроизвольно испускают позитрон и электронное нейтрино. В результате образуется новое ядро с тем же самым массовым числом, но с атомным номером на единицу меньше:

Отметим, что свободный протон, в отличие от нейтрона, стабилен. Однако в ядре становится возможным бета плюс-превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино:

Существует ещё третий вид превращений ядер с участием бета-частиц, который называется электронным или е-захватом. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино:

Но вернёмся к опытам по исследованию радиоактивности. В 1900 году французский физик Поль Вийяр при исследовании отклонение альфа- и бета-лучей в излучении радия обнаружил и третий, ранее неизвестный вид лучей, не отклоняющихся даже в самых сильных магнитных полях.

Вийяр был скромным человеком, и не предложил конкретного названия для излучения, которое он обнаружил. Поэтому в 1903 году Эрнест Резерфорд предложил назвать лучи Вийяра гамма-лучами, потому что они были гораздо более проникающими, чем альфа- и бета-лучи, открытые им ранее.

Поль Вийяр также показал, что открытый им вид излучения характеризуется чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами. В дальнейшем было доказано, что гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию.

Труднее всего было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду в 1913 году. Для начала он смог измерить отношение заряда частицы к её массе по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Отсюда следовало, что у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.

Затем Резерфорд поместил на пути частиц счётчик Гейгера и с его помощью измерил число частиц, испускаемых радиоактивным препаратом за определённое время.

Затем он поставил на место счётчика металлический цилиндр, соединённый с чувствительным электрометром. С помощью электрометра учёный мог измерить заряд частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем. Зная суммарный заряд альфа-частиц и их число, Резерфорду не составило труда определить заряд одной альфа-частицы. Он оказался равным двум элементарным. Собрав результаты трёх опытов воедино, учёный установил, что на два элементарных заряда альфа-частицы приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. То есть альфа-частица — это ядро атома гелия, потерявшее два своих электрона.

Следовательно, продуктом распада материнского ядра оказывается элемент, зарядовое число которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у материнского ядра:

В том же году американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди особенности альфа- и бета-распада были сведены в общее правило — правило смещения: при α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на 4 а. е. м. В результате элемент смещается на две клетки к началу Периодической системы. При β⁻-распаде элемент смещается на одну клетку ближе к концу, а при β⁺-распаде — на одну клетку ближе к началу Периодической системы.

В заключение урока отметим одну очень важную особенность явления радиоактивности: при всех ядерных превращениях сохраняются массовые и зарядовые числа, а также выполняются все известные законы сохранения.