Радиоактивность - Физика атомного ядра - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

4.8. Физика атомного ядра

4.8.4. Радиоактивность

Радиоактивность (от лат. radio — излучаю и activus — деятельный) — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав — заряд Z, массовое число А путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Открытие радиоактивности

Явление радиоактивности было открыто Беккерелем в 1896 г. при его исследованиях люминесценции солей урана: он обнаружил спонтанное испускание неизвестного излучения. Исследование других химических элементов на предмет радиоактивности позволило в 1898 г. Марии Склодовской-Кюри во Франции (и другим ученым) обнаружить свечение тория, а затем выделить неизвестный ранее элемент — полоний (названный так в честь родины Марии Кюри — Польши). Спустя некоторое время был открыт элементрадий, дающий очень интенсивное излучение. Явление самопроизвольного излучения по предложению Марии и Пьера Кюри было названо радиоактивностью. Вскоре Э. Резерфорд и супруги Кюри установили, что радиоактивное излучение состоит из лучей трех видов: α-лучей, состоящих из положительных α-частиц (являющихся ядрами гелия), (β-лучей, или отрицательно заряженных β-частиц (которые оказались электронами), и ɣ-лучей, не имеющих заряда, которые оказались ɣ-квантами (жестким электромагнитным излучением). Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, изображен на рис. 4.14. На излучение препарата радия, помещенного на дно узкого канала в куске свинца, действовало сильное магнитное поле с линиями индукции, перпендикулярными лучу. Перпендикулярно каналу располагалась фотопластинка. Вся установка размещалась в вакууме. По отклонению луча определялся заряд частиц, его составляющих.

Гамма-лучи

То, что это электромагнитная волна, было доказано опытами по дифракции на кристаллах. В ходе этих опытов была определена длина волны ɣ-лучей: от 10 -8 до 10 -11 см. Их проникающая способность гораздо выше, чем у рентгеновских лучей. На шкале электромагнитных волн ɣ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения, как у всех электромагнитных волн, — 300 000 км/с.

Бета-лучи

Бета-лучи были идентифицированы как электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, по сильному отклонению как в магнитном, так и электрическом поле. Скорости β-частиц, испущенных радиоактивным элементом, различны, что приводит к расширению пучка (рис. 4.14).

Альфа-частицы

Альфа-частицы отклоняются в магнитном и электрическом полях меньше других, что затрудняло их идентификацию. Окончательно природу а-частиц удалось выяснить Э. Резерфорду. С помощью экспериментов в магнитном поле он определил соотношение заряда и массы. С помощью счетчика Гейгера измерил количество частиц, испущенных препаратом за определенное время, а с помощью электрометра определил их суммарный заряд, рассчитав, таким образом, заряд одной α-частицы (+2). Экспериментально природа альфа-частиц была подтверждена с помощью спектрального анализа газа, образовавшегося за несколько дней в резервуаре, в котором Резерфорд собирал а-частицы. Каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в гелий.

Радиоактивные превращения. Альфа-, бета-, гамма-распад

В процессе исследования явления радиоактивности обнаружилось, что радиоактивные элементы в результате испускания радиоактивного излучения превращаются в другие элементы. При радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.

После того, как было открыто атомное ядро, сразу стало ясно, что именно оно претерпевает превращения при радиоактивных распадах. Ведь на электронных оболочках нет а-частиц, а уменьшение числа электронов оболочки превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.

Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, и масса его убывает приблизительно на четыре атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу Периодической системы. Это записывается так:

Здесь элемент обозначается общепринятыми символами. Заряд ядра указывается в виде индекса внизу слева от символа элемента, а атомная масса — в виде индекса слева вверху символа. Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяют обозначение

При β-распаде атом теряет электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс 0 сверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы. После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу Периодической системы.

Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.

Возникшие при радиоактивном распаде ядра обычно тоже радиоактивны.