4.3. Естественная радиоактивность

Конец девятнадцатого столетия и начало двадцатого совпали с целым рядом крупнейших открытий в физике, определивших её развитие и развитие техники на столетие вперёд. Это открытие рентгеновского излучения (1895 г.) и электрона (1898 г.), гипотеза квантов (1900 г.), и, наконец, естественная радиоактивность (1896 г.), за открытие которой в 1903 году французским учёным Анри Беккерелю, Пьеру и Марии Кюри была присуждена Но­белевская премия.

Открытое ими явление заключается в самопроизвольном, происходящем без вмешательства человека, превращении одного элемента периодической сис­темы в другой. Средневековые алхимики потратили много времени и сил для осуществления этого превращения, пытаясь получить золото из ртути и других металлов, но положительного результата не добились. Поэтому открытие, свидетельствующее о том, что переход элемента из одной клеточки таблицы Менделеева в другую происхо­дит в природе, стало сенсацией, заполнившей страницы газет. Введённый Ма­рией Кюри для подобных процессов термин "радиоактивность" обусловлен тем, что указанное явление сопровождается излучением, которое обладает большой проникающей способно­стью, оказывает ионизирующее действие и вызывает биологические и химические изменения в окружающем мире.

Естественной радиоактивностью обладают эле­менты, стоящие в конце периодической системы Менделеева, после номера 82. Они могут самопроизвольно, без внешних воздействий, распадаться, превращаясь в другие элементы. Причём путей распада может быть два: a-распад и b-распад.

1. Альфа-распад. При этом типе радиоактивности ядро самопроизвольно испускает a-частицу — ядро атома гелия, превращаясь при этом в другой элемент, т.е. переходя в дру­гую клеточку периодической системы.

Распад ядра происходит с выполне­нием закона сохранения массы (точнее, массового числа) сумма массовых чисел А до реакции равна сумме таковых после неё; и закона сохранения заряда: сумма зарядовых чисел Z до реакции равна их сумме после неё. Но если закон сохранения заряда выполняется точно, то закон со­хранения массы справедлив лишь для массовых чисел. Сумма масс до реак­ции никогда в точности не равна сумме масс после неё. Масса в результате реакции может либо возрасти, либо уменьшиться. В первом случае реакция идет с поглощением энергии, во втором — с её выделением. Величину этой энергии можно рассчитать по (4.1).

Поскольку заряд α-частицы положителен и равен 2е, то при α-распаде заряд ядра уменьшается на две единицы, т. е. происходит смещение на две клеточки периодической сис­темы влево.

Приведём пример такой реакции:

Здесь рассмотрен распад одного из изотопов урана — ₉₂U²³⁸, содержание ко­торого в природном уране составляет 99,3%. Образовавшийся изотоп тория тоже нестабилен, и также при распаде образуется элемент, расположенный на две клеточки левее, который, в свою очередь, тоже α-активен. Выстраивающаяся цепочка радиоактивных элементов заканчивается на свинце, получившийся изотоп которого стабилен:

Точками в примере обозначены пропущенные b-распады. По процентному содержанию свинца в урановой руде можно оценить возраст Земли, если предположить, что образование урановых руд происходило одновременно с рождением нашей планеты.

Альфа-распад практически всегда сопровождается гамма-излучением (см. рис. 4.4). Ядра в силу энергетических причин могут выбрасывать лишь четыре нуклона сразу — ядро гелия. Образовавшееся новое ядро (дочернее) находится в возбуждённом состоянии, и только сбросив энергию в виде электромагнитной волны — γ-кванта, переходит в основное состояние. Оценить величину гамма-кванта позволяет даже простейшее знакомство с квантовой механикой. Расстояние ΔЕ между уровнями энергии частицы, находящейся в потенциальном ящике, определяется выражением (3.50). Приравняв ΔЕ энергии кванта hν, можно найти частоту этих лучей. Она получается во много раз больше, чем частота видимого света. Поэтому гамма лучи обладают особыми свойствами: их проникающая и ионизирующая способности исключительно велики. Эти свойства определяют и при­менение γ-лучей: гамма-дефектоскопия, гамма-терапия и т.п.

2. Бета-распад сопровождается вылетом β-частицы. При естественной радиоактивности это электрон. Схема этого распада приведена на рис. 4.5. Бледной штриховой линией обозначен контур ядра. Выброс ядром электрона объясняется распадом нейтрона, который стабилен только внутри ядра. В свободном со­стоянии нейтрон живет около 12 мин, после чего претерпевает распад, обра­зуя протон, электрон и нейтрино^*. Образо­вавшийся протон остаётся в ядре, увеличивая его заряд на единицу, а элек­трон и нейтрино покидают ядро, вылетая с различными скоростями. Получившийся в результате такого распада элемент переходит в правую соседнюю кле­точку таблицы Менделеева.

Бета-активность, например, свойственна тяжёлому изотопу урана, который образуется из ₉₂U²³⁸ при захвате им нейтрона. В результате испускания электрона образуется первый трансурановый элемент нептуний:

Образовавшийся нептуний тоже бета-активен:

При этом распаде образуется плутоний — второй трансурановый элемент.

Подводя итог материалу этого раздела, подчеркнём, что к указанным двум типам распада сводится естественная радиоактивность, которой обладают лишь элементы конца периодической системы, начиная со свинца.