РАДІОАКТИВНІСТЬвластивість деяких хімічних елементів до мимовільного розпаду інші елементи. Цей розпад супроводжується різними корпускулярними та світловими радіаціями. Явище радіоактивності було відкрито 1896 р. Р. Беккерелем. Він виявив, що солі U виділяють випромінювання, що діють на фотографічну пластинку і електропроводність, що повідомляють повітрі. Подальші дослідження показали, що випромінювання «променів Беккереля» є атомна властивість U, яка залежить від того, в якому хімічному з'єднанні він знаходиться. Систематичні дослідження всіх відомих елементів виявили, що крім U значною радіоактивністю має тільки Th (Г. Шміт та М. Кюрі, 1898). Згодом було відкрито ще слабку радіоактивність К і Rb. При вивченні природних сполук U виявилося, що радіоактивність їх значно більша, ніж слід очікувати за вмістом у них U. Висловлена ​​М. Кюрі гіпотеза, що ця аномалія пов'язана з присутністю в мінералах уранових невідомих сильно радіоактивних елементів, підтвердилася. Шляхом тривалої і копіткої роботи П. і М. Кюрі вдалося виділити з уранової смоляної руди Йоахімстальського родовища (Чехо-Словаччина) нові елементи Ро (1898) і Ra (1898), радіоактивність яких у велику кількість разів перевершує радіоактивність U. Цим було започатковано відкриття ряду нових радіоактивних елементів або радіоелементів, кількість яких сягає 40.

Радіоактивні випромінювання. За своєю випромінювання радіоактивних елементів не однорідні. У 1902 р. Є. Резерфорд запропонував назви α-(альфа), β-(бета) і γ-(гама) променів для трьох видів радіоактивних випромінювань, що володіють такими властивостями: α-промені утворюються позитивно зарядженими матеріальними частинками, що швидко рухаються, атомних розмірів і слабо відхиляються в електричному та магнітному полі у бік, що відповідає відхиленню каналових променів; вони дуже поглинаються матерією; β-промені - частинки негативної електрики (електрони); вони значно сильніше відхиляються магнітним полем і цілком аналогічні катодним променям. Проникність їх значно більша, ніж у α-променів; γ-промені не зазнають відхилень у магнітному полі і не несуть заряду; вони мають найбільшу проникність (фіг. 1). α-частинки несуть подвійний елементарний позитивний заряд, що дорівнює 9,55 10 -10 CGSE. За своєю природою вони тотожні з ядром атома гелію; α-частинки вилітають з атома з певною початковою швидкістю, характерною для кожного α-випромінюючого радіоелемента; ця початкова швидкість лежить в межах 1,4 10 9 -2,06 10 9 см/сек. У повітрі α-частки завдяки своїй великій масі рухаються майже прямолінійно, поступово розтрачуючи свою кінетичну енергію при зіткненнях з молекулами газу і викликаючи сильну іонізацію. α-частинки мають певну дальність польоту, пройшовши яку вони втрачають свій заряд і здатність викликати характерні дії. Величина цієї дальності польоту або «пробігу» α-часток залежить від початкової швидкості частки і від речовини, що поглинає. Величина пробігу -частинки характерна для кожного радіоелемента і обіймає періоди 2,67-8,62 см в повітрі при 0°С і 760 мм. У твердих тілах -частинки затримуються товщиною шару близько 0,1 мм. Властивість водяної пари конденсуватися за певних умов на іонах дозволяє спостерігати та фотографувати шляхи α-часток (фіг. 2). β-промені більшості радіоактивних речовин утворюють кілька груп з різними початковими швидкостями, розподіл яких вивчається за відхиленням β-частинок у магнітному полі (спектр β-променів). Початкові швидкості β-частинок полягають у межах 8,7 10 9 -2,947 10 10 см/сек, тобто до 0,988 швидкості світла. При проходженні через матерію -промені розсіюються значно сильніше, ніж -промені, мало змінюючи свою швидкість. Поглинання їх відбувається за законом, близьким до простого експоненційного I d = I 0 e - kd , де I d - інтенсивність випромінювання, що пройшло товщину d, I 0 - початкова інтенсивність, k - коефіцієнт поглинання. Характерною величиною може бути товщина шару будь-якої речовини, наприклад, алюмінію, що поглинає β-промені наполовину. Для різних -променів величина цього шару 0,001-0,05 см алюмінію. Найбільш жорсткі β-промені RaC поглинаються повністю двома мм свинцю, γ-промені за своєю природою абсолютно аналогічні рентгеновим променям і характеризуються довжиною хвилі 10 -9 -10 -11 см. Поглинання γ-променів супроводжується розсіянням та появою вторинних β- та γ-променів . Приблизно поглинання виражається простим показовим законом I = I 0 e -μх, причому в першому наближенні задовольняється співвідношення μ/ϱ = Const, де - щільність поглинаючої речовини. Розмір μ для γ-променів різних радіоелементів коливається від 1000 до 0,12, чому відповідає товщина шару Рb, що поглинає промені наполовину, 10 -4 -5,5 см.

Теорія радіоактивного розпаду . Для пояснення радіоактивних явищ Резерфорд і Содді запропонували 1902 р. теорію атомного розпаду, повністю підтверджену подальшими експериментами. Атоми радіоактивних елементів є нестійкими утвореннями й довершені мимовільним розпадом, підпорядкованим закону випадковості. При цьому звільняється внутрішньоатомна енергія у вигляді випромінювань, атом же зазнає перетворення, переходячи в інший хімічний елемент з іншими властивостями, наприклад, метал Ra перетворюється на RaEm - інертний газ. Основний закон радіоактивного розпаду формулюється наступним чином: кількість речовини ΔN, що розпадається в елемент часу Δt, пропорційно готівковій його кількості N і проміжку часу Δt, тобто ΔN=-λNΔt, або N t =N 0 e -Δ t де N 0 - Початкова кількість, N t - кількість для моменту t. Коефіцієнт пропорційності λ називається радіоактивною постійною, або константи розпаду радіоелемента. Більш наочно кожен радіоелемент характеризується періодом напіврозпаду, тобто проміжком часу, протягом якого початкова кількість його зменшується наполовину, або середньою тривалістю життя τ. Період напіврозпаду Т, середня тривалість життя τ і постійна радіоактивна λ пов'язані між собою наступним чином: Т= 0,6931τ = 0,6931 τ -1 . Для різних радіоелементів λ = 1,3 · 10 -13 - 10 11 сек., відповідно Т = 5,2 · 10 17 сек. (1,65 · 10 10 років)-10 -11 сек. Між λ і величиною пробігу α-променів R існує знайдене емпірично Гейгером і Нутал співвідношення Іg λ = А + В lg R, де А і В - константи. Графічне зображення закону Гейгера і Нуталла дає три радіоактивних сімейств U - Ra, Th і Ас три паралельні прямі. Цим законом доводиться користуватися, між іншим, для визначення радіоактивних констант речовин, що швидко розпадаються. Явлення радіоактивного розпаду, що супроводжується вильотом з ядра атома α- і β-частинок, дали перший доказ складної будови атомного ядра, що містить структурні елементи електрони, протони і ядра Не. Закономірності, що спостерігаються у розподілі довжин хвиль γ-променів та швидкостей β- та α-часток, вказують на існування в ядрі стійких станів, що відповідають певним рівням енергії. γ-випромінювання мабуть пов'язані з внутрішньоядерними переходами α-часток з одного рівня енергії на інший, причому довжина хвилі γ-променя визначається квантових співвідношень. При радіоактивному перетворенні, що супроводжується вильотом α-частинки з ядра, вона повинна пройти через рівень потенційної енергії, що значно перевищує власну енергію частинки, яку вона має в ядрі. З погляду класичної теорії неможливо пояснити виліт α-частинки з ядра через цей «потенційний бар'єр». Теорії радіоактивного розпаду, засновані на принципах хвильової механіки, описують рух α-часток за допомогою хвильової функції, причому α-випромінювання є результатом поступового проникнення хвильової функції через згаданий вище потенційний бар'єр. При цьому можна знайти теоретичний вираз для зв'язку швидкості α-часток з константою розпаду атома, що задовольняє дослідні дані. Приймаючи, що α-частинки в ядрі атома мають ту саму величину енергії, з якою вони залишають ядро ​​при розпаді, ми отримуємо вихідну величину для оцінки абсолютних значень рівнів енергії в ядрі атома. Ці величини порядку 106 V (в позначеннях атомної фізики). β-випромінювання радіоактивних елементів утворюють, з одного боку, групи електронів певних швидкостей, що ймовірно з'являються в результаті фотоефекту, викликаного γ-випромінюванням ядра в електронних оболонках атома, з іншого боку, β-частинки, що вилітають з ядра, мають швидкості найрізноманітніших значень (безперервний магнітний спектр γ-променів). Часто за α-перетворенням у ряді розпаду слідують два β-перетворення, що хибно витлумачити порушенням стійкості електронних рівнів у ядрі при зменшенні числа α-часток. Енергетичні взаємини в ядрі, пов'язані з β-випромінюванням, видаються ще не зовсім зрозумілими.

При розпаді радіоактивного атома виходить б. ч. також радіоактивний елемент. Т.о. утворюються ряди розпаду, або радіоактивні сімейства, послідовно перетворюються радіоелементів Закон радіоактивного розпаду дає можливість розрахувати кількість кожного з членів ряду для кожного моменту часу за заданих початкових умов. Насправді найважливіші такі випадки. 1) Розпад окремого радіоелемента, наприклад RaEm; кількість радіоелемента у будь-який момент виразиться так: N t = N 0 e - t початкова кількість (при t = 0). 2) Утворення з радіоелемента з дуже великою тривалістю життя (кількість якого за проміжок часу, що розглядається, практично не змінюється, наприклад, освіта UX (період напіврозпаду 24 дні) з U (період піврозпаду 10 9 років). для моменту t виразиться через число атомів материнського елемента N 1 і відповідні константи розпаду так:

3) Випадок радіоактивної рівноваги, коли зберігається постійне відношення чисел атомів послідовних елементів у ряді розпаду. У цьому випадку дотримуються рівності: N 1 λ=N 2 λ 2 =…=N k λ k якщо розглянутий ряд містить елементи (фіг. 3, А - наростання і В - розпад ТhХ). Перетворення радіоелементів завжди супроводжується α- або β-випромінюванням. Невідомо жодного випадку, коли радіоактивне перетворення супроводжувалося б лише одним γ-випромінюванням.

Вивчення радіоактивних перетворень призвело до відкриття великої кількості нових елементів. При спробах розмістити радіоелементи в періодичній системі виникли труднощі, тому що кількість вільних місць виявилася недостатньою. Ці труднощі вдалося подолати внаслідок вивчення хімічних особливостей радіоелементів. Болтвуд, який відкрив у 1906 р. новий радіоактивний елемент іоній, показав, що його хімічні властивості збігаються з властивостями елемента торію. Далі подібна хімічна ідентичність була виявлена ​​у ряду радіоелементів (Ra і MsTh, Pb, RaB, ТhВ, АсВ та ін), і в 1910 р. Содді висловив думку, що ці елементи мають принципово однакові властивості, та їх поділ методами хімії неможливий. Група таких нерозрізнених хімічно елементів називається на пропозицію Фаянса плеядою, а самі елементи на пропозицію Содді ізотопами, т.к. вони займають одне й те місце у періодичної системі. Тоді ж Содді припустив, що і нерадіоактивні елементи можуть бути сумішшю принципово нероздільних елементів різної атомної ваги, чим пояснюються дробові значення атомних ваг більшості елементів. Ця ідея Содді знайшла собі блискуче підтвердження у роботах Астона, який відкрив методом позитивних променів ізотопи звичайних елементів. Поняття ізотопії дозволило розмістити всі радіоелементи у періодичній системі. Вони обіймають 10 плеяд, розташованих у останніх двох рядах періодичної системи (фіг. 4).

Характерними елементами, або домінантами, плеяди радіоактивних ізотопів є елементи з найбільшою тривалістю життя, або стійкі елементи. При цьому п'ять з них: Ra, Em, Ро, Ас і Ра є новими елементами, що посіли вільні місця в періодичній системі, решта потрапляють на місця, зайняті раніше відомими радіоелементами U і Th і неактивними Pb, Tl, Bi. Найбільша різниця в атомних терезах радіоактивних ізотопів вбирається у 8 одиниць. Т. о. радіоактивні перетворення дозволили глибше вникнути у фізичний зміст періодичного закону та поняття про хімічний елемент. Виявилося, місце елемента в періодичної системі визначається не атомною вагою елемента, як це приймалося раніше, а величиною позитивного заряду ядра його атома. Усі властивості ізотопів, пов'язані з електронними оболонками атома, у межах точності наших експериментів практично однакові (атомний обсяг, температура переходу з одного стану в інший, термічна зміна розмірів, магнітна сприйнятливість, спектри тощо). Вони відрізняються, крім радіоактивних властивостей, лише тими особливостями, які пов'язані з масою ядра, наприклад, у тонкій структурі спектру та в нікчемних відмінностях у константах дифузії. На останній обставині засновані спроби поділу ізотопів, які призвели до ретельної роботи до часткового успіху.

При радіоактивному розпаді відбувається перетворення елементів, що підпорядковується наступним правилам зсуву (К. Фаянс). 1) Після випромінювання α-частинки елемент зміщується на два місця вліво в періодичній системі. 2) При β-перетворенні елемент зміщується на одне місце вправо (напрямок стрілок на фіг. 4). Ці правила вказують, що радіоактивність є властивістю ядра атома, бо виліт α-частинки, що несе два елементарні позитивні заряди, зменшує на дві одиниці заряд ядра, що відповідає зменшенню атомного номера на дві одиниці. β-частинка забирає один негативний заряд, тобто збільшує позитивний заряд ядра, а, отже, і його атомний номер на одиницю. В результаті радіоактивних перетворень два різні елементи можуть зайняти одне і те ж місце в періодичній системі.

Всі відомі нам радіоелементи утворюють три радіоактивні сімейства, або ряди: сімейство U-Ra, сімейство Ас та сімейство Th. Ряди U і Th самостійні, ряд Ас за всіма даними пов'язаний з рядом U-Ra. На фіг. 5 наведено схему радіоактивних сімейств з їх перетвореннями. Найбільший практичний інтерес представляють радіоелементи Ra і MsTh, як такі, що володіють дуже великою радіоактивністю і є джерелом сильно радіоактивних елементів малої тривалості життя (наприклад, RaEm, ThX та ін). З інших хімічних елементів тільки До і Rb мають слабку радіоактивність з випромінюванням β- і γ-променів. Продукти їхнього перетворення невідомі.

Дії радіоактивних випромінювань. 1) Усі радіоактивні випромінювання виробляють іонізацію газів. При цьому найсильніше діють α-промені, дія β- та γ-променів значно слабша. У меншій мірі іонізація спостерігається у рідких та твердих діелектриків. 2) Енергія радіоактивних випромінювань переходить при поглинанні їх матерій тепло. При цьому найбільший ефект дають також α-промені, що мають максимальну енергію. Теоретично кількість тепла, що виділяється, можна підрахувати, знаючи енергію випромінювань і кінетичну енергію залишку атома, що розпався. Експериментально теплова дія особливо ретельно вивчена для Ra; 1 г Ra виділяє на годину 25 cal, а разом із продуктами розпаду 170 cal. 3) Сильні радіоактивні препарати світяться самі і викликають свічення низки тіл. Спалахи на екрані сірчистого цинку, викликані окремими α-частинками (сцинтиляції), дозволяють вважати α-частинки, випромінювані радіоелементами. 4) Багато речовин змінюють своє забарвлення під впливом радіоактивних випромінювань. 5) Радіоактивні промені діють на фотографічну платівку. Прикладаючи до фотографічної платівки погано відшліфовану поверхню шматка радіоактивної руди, можна отримати радіографію розподілу радіоактивних мінералів поверхнею зразка. 6) Під дією радіоактивних випромінювань відбуваються хімічні реакції, пов'язані головним чином з іонізацією, що викликається ними; деякі дії β-променів на колоїди пояснюються негативним зарядом самих β-частинок. 7) Дія радіоелементів на живий організм позначається як місцевих і загальних явищ і залежить від дози. Дія радіоактивних випромінювань виявляється у загальному стомленні організму, зміні складу крові (зменшення числа білих кров'яних кульок та інших.). При місцевому впливі β-променів великих кількостей радіоелементів може вийти опік, що важко піддається лікуванню. Молоді клітини найчутливіші до дії випромінювань. Введення всередину організму великих кількостей радіоелементів спричиняє смерть. Незначні кількості радіоелементів надають сприятливий вплив на організм.

Практичні програми радіоактивності. 1) Властивість радіоелементів іонізувати гази знайшло своє застосування у виготовленні радіоактивних колекторів, що слугують для вимірювання електричного поля, головним чином при дослідженнях атмосферної електрики. З цією метою використовуються зазвичай α-випромінювачі Io чи Во. Останній доводиться періодично відновлювати, тому що він розпадається наполовину 137 днів. 2) Радіоактивні Em м. б. використані щодо газопроникності різних речовин. 3) При проходженні α-часток через різні речовини спостерігається за певних умов поява Н-часток (ядра водню). Вперше явище це було виявлено в 1919 р. резерфордом в азоті і витлумачено як результат руйнування ядра азоту при зіткненні з α-частинкою. Подальші роботи, головним чином співробітників Резерфорда – Кірша та Петерсона, – показали, що велика кількість елементів руйнується під дією α-часток. Про інші практичні програми радіоактивності див. Радій.

Для кількісного виміру радіоактивних речовин використовується майже тільки спосіб заснований на іонізації. У разі дуже сильних препаратів можна використовувати для вимірювання іонізаційних струмів чутливим гальванометром. Для виміру ж малих кількостей радіоелементів користуються електроскопами та електрометрами. Найважливіші схеми приладів, що застосовуються, представлені на фіг. 6.

1) Вимірювання з α-променів. Досліджувана речовина радіоактивності міститься у тонко подрібненому вигляді в плоскій чашці на дно «іонізаційної камери» електроскопа (фіг. 6а) або електрометра (фіг. 6б). Іонізаційний струм вимірюється за швидкістю спадання листка електроскопа, що відраховується за окулярною шкалою мікроскопа. При цьому необхідно враховувати власне спадання листка під впливом дефектів ізоляції та іонізації повітря всередині приладу, що визначається спеціальним спостереженням без радіоактивної речовини. При вимірі з електрометром користуються або методом зарядки або компенсаційними методами. При вимірюваннях по α-променях зазвичай беруть шар речовини товщиною близько 1 мм. Такий шар буде насиченим для α-випромінювання, тобто α-промені з нижніх частин вже поглинаються в активній речовині і не виходять назовні. При цьому вимірювана іонізація приблизно пропорційна концентрації радіоелементів препарату. Зазвичай вимірювання проводяться в порівнянні з еталоном, що містить відому кількість радіоелемента, що визначається, наприклад, U в рівновазі з продуктами розпаду. Або ж результати виражають у уранових одиницях, причому під урановою одиницею мається на увазі одностороннє випромінювання 1 см 2 насиченого для -променів шару окису урану U 3 Про 8 . В абсолютних одиницях це відповідає струму насичення 1,73 10 -3 CGSE. У разі нескінченно тонкого шару (наприклад, активний наліт, що отримується в присутності еманацій на твердих тілах і складається з продуктів їхнього розпаду) іонізація пропорційна кількості радіоелементу на препараті. 2) Вимірювання по γ-променям. Завдяки великій проникності γ-променів можна з їх допомогою виміряти кількість радіоелементів (зазвичай Ra, RaEm або MsTh) у герметично запаяних препаратах. Вимірювання проводять у порівнянні з еталоном, що містить відому кількість Ra. При вимірі малих кількостей Ra порядку 10 -5 -10 -7 г їх поміщають усередині приладу спеціального пристрою. При вимірі великих кількостей - від 10 -4 г і вище - випробуваний препарат поміщається на деякій відстані зовні приладу. 3) Вимірювання малих кількостей RaEm проводяться за α-променями в електрометрі з іонізаційною камерою, пристосованою для введення Еm всередину її. Зазвичай доводиться вимірювати Еm з водного розчину, при цьому Em переганяють в іонізаційну камеру зі струмом повітря за допомогою циркуляції (фіг. 7) або іншим способом.

Далі вимірюється іонізація, що викликається α-променями Em та продуктів її води джерел. Той самий метод застосовується щодо малих кількостей Ra у розчині. Досліджуваний розчин поміщають у газопромивающую склянку L і звільняють від Em продуванням повітря протягом 10-30 хв. Потім посудину з розчином закривають герметично і залишають на кілька днів для накопичення Em. Далі Em переводять у вимірювальний прилад J, де визначають її кількість. Накопичення еманації відбувається за формулою Е = Е ∞ (1 е λ t), де Е - кількість Em, накопиченої протягом часу t, Е ∞ - кількість її, що знаходиться в рівновазі з радієм в даному розчині. Чисельно Е ∞ дорівнює стільки кюрі еманації, скільки грам Ra знаходиться в розчині.

Еталоном служить розчин з відомим вмістом Ra порядку 10 -8 -10 -9 г. По Em можна виміряти 10 -10 г навіть 10 -12 г Ra. 4) Вимірювання кількості окремих частинок проводиться або за допомогою методу сцинтиляцій або шляхом відповідного посилення іонізуючої дії окремих частинок або імпульсів (лічильник Гейгера). Можливе також застосування фотографічної платівки з товстим шаром (метод Л. В. Мисовського).

Радіоактивність була відкрита у 1896 р. французьким ученим Антуаном Анрі Беккерелем щодо люмінесценції солей урану. Виявилося, що уранові солі без зовнішнього впливу (самовільно) випромінювали випромінювання невідомої природи, яке засвічувало ізольовані від світла фотопластинки, іонізувало повітря, проникало крізь тонкі металеві пластинки, викликало люмінесценцію низки речовин. Такою ж властивістю володіли і речовини, що містять полоній 21084Ро і радій 22688Ra.

Ще раніше, у 1985 р. було випадково відкрито рентгенівське проміння німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Марія Кюрі ввела у вжиток слово «радіоактивність».

Радіоактивність - це мимовільне перетворення (розпад) ядра атома хімічного елемента, що призводить до зміни його атомного номера або зміни масового числа. При такому перетворенні ядра відбувається випромінювання радіоактивних випромінювань.

Розрізняються природна та штучна радіоактивності. Природною радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається у існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, одержаних у результаті ядерних реакцій.

Існує кілька видів радіоактивного випромінювання, що відрізняються за енергією та проникаючою здатністю, які надають неоднаковий вплив на тканини живого організму.

Альфа-випромінювання- це потік позитивно заряджених частинок, кожна з яких складається з двох протонів та двох нейтронів. Проникаюча здатність цього виду випромінювання невелика. Воно затримується кількома сантиметрами повітря, кількома аркушами паперу, звичайним одягом. Альфа-випромінювання може бути небезпечним для очей. Воно практично не здатне проникнути через зовнішній шар шкіри і не становить небезпеки до тих пір, поки радіонукліди, що випускають альфа-частинки, не потраплять всередину організму через відкриту рану, з їжею або повітрям, що вдихається - тоді вони можуть стати надзвичайно небезпечними. Внаслідок опромінення відносно важкими позитивно зарядженими альфа-частинками через певний час можуть виникнути серйозні пошкодження клітин та тканин живих організмів.

Бета-випромінювання- це потік, що рухаються з величезною швидкістю негативно заряджених електронів, розміри і маса яких значно менше, ніж альфа-частинок. Це випромінювання має більшу проникаючу здатність порівняно з альфа-випромінюванням. Від нього можна захиститися тонким листом металу типу алюмінію або шаром дерева товщиною 1.25 см. Якщо на людині немає щільного одягу, бета-частинки можуть проникнути через шкіру кілька міліметрів на глибину. Якщо тіло не прикрите одягом, бета-випромінювання може пошкодити шкіру, воно проходить у тканині організму на глибину 1-2 сантиметри.

Гамма-випромінювання,подібно до рентгенівських променів, являє собою електромагнітне випромінювання надвисоких енергій. Це випромінювання дуже малих довжин хвиль та дуже високих частот. З рентгенівськими променями знайомий кожен, хто проходив медичне обстеження. Гамма-випромінювання має високу проникаючу здатність, захиститися від нього можна лише товстим шаром свинцю або бетону. Рентгенівські та гамма-промені не несуть електричного заряду. Вони можуть зашкодити будь-які органи.

Усі види радіоактивного випромінювання не можна побачити, відчути чи почути. Радіація немає ні кольору, ні смаку, ні запаху. Швидкість розпаду радіонуклідів практично не можна змінити відомими хімічними, фізичними, біологічними та іншими способами. Чим більше енергії передасть випромінювання тканин, тим більше ушкоджень викликає воно в організмі. Кількість переданої організму енергії називається дозою. Дозу опромінення організм може отримати від будь-якого виду випромінювання, зокрема радіоактивного. При цьому радіонукліди можуть бути поза організмом або всередині нього. Кількість енергії випромінювання, яке поглинається одиницею маси тіла, що опромінюється, називається поглиненою дозою і вимірюється в системі СІ в греях (Гр).

При однаковій поглиненій дозі альфа-випромінювання набагато небезпечніше за бета- і гамма-випромінювання. Ступінь впливу різних видів випромінювання на людину оцінюють за допомогою такої характеристики, як еквівалентна доза. різному ушкоджувати тканини організму. У системі СІ її вимірюють в одиницях, які називаються зівертами (Зв).

Радіоактивним розпадом називається природне радіоактивне перетворення ядер, що відбувається мимоволі. Ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, називається материнським; виникає дочірнє ядро, як правило, виявляється збудженим, і його перехід в основний стан супроводжується випромінюванням -фотона. Т.о. гамма-випромінювання – основна форма зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень.

Альфа-розпад. β-промені є потік ядер гелію Не. Альфа-розпад супроводжується вильотом з ядра α-частки (Не), при цьому спочатку перетворюється на ядро ​​атома нового хімічного елемента, заряд якого менший на 2, а масове число – на 4 одиниці.

Швидкості, з якими α-частки (тобто ядра Не) вилітають з ядра, що розпалося, дуже великі (~106 м/с).

Пролітаючи через речовину, α-частка поступово втрачає свою енергію, витрачаючи її на іонізацію молекул речовини, і зрештою зупиняється. α-частка утворює на своєму шляху приблизно 106 пар іонів на 1 см шляху.

Чим більша щільність речовини, тим менше пробіг α-часток до зупинки. У повітрі при нормальному тиску пробіг становить кілька см, у воді, тканинах людини (м'язи, кров, лімфа) 0,1-0,15 мм. α-частинки повністю затримуються звичайним аркушем паперу.

α-частки дуже небезпечні у разі зовнішнього опромінення, т.к. можуть затримуватись одягом, гумою. Але α-частинки дуже небезпечні при потраплянні всередину людського організму, через велику щільність іонізації, що виробляється імім. Ушкодження, що виникають у тканинах не оборотні.

Бета-розпад буває трьох різновидів. Перший - ядро, яке зазнало перетворення, випускає електрон, друге - позитрон, третє - називається електронний захоплення (е-захоплення), ядро ​​поглинає один з електронів.

Третій вид розпаду (електронне захоплення) полягає в тому, що ядро ​​поглинає один з електронів свого атома, в результаті чого один із протонів перетворюється на нейтрон, випускаючи при цьому нейтрино:

Швидкість руху β-частинок у вакуумі дорівнює 0,3 – 0,99 швидкості світла. Вони швидше ніж α-частинки, пролітають через зустрічні атоми та взаємодіють із ними. β-частинки мають менший ефект іонізації (50-100 пар іонів на 1 см шляху в повітрі) і при попаданні β-частинки всередину організму вони менш небезпечні ніж α-частинки. Однак проникаюча здатність β-часток велика (від 10 см до 25 м і до 17,5 мм у біологічних тканинах).

Гамма-випромінювання – електромагнітне випромінювання, яке випускається ядрами атомів при радіоактивних перетвореннях, яке поширюється у вакуумі з постійною швидкістю 300 000 км/с. Це випромінювання супроводжує, як правило, β-розпад і рідше – α-розпад.

γ-випромінювання подібно до рентгенівського, але має значно більшу енергію (при меншій довжині хвилі). γ-промені, будучи електрично нейтральними, не відхиляються в магнітному та електричному полях. У речовині та вакуумі вони поширюються прямолінійно і рівномірно на всі боки від джерела, не викликаючи прямої іонізації, при русі в середовищі вони вибивають електрони, передаючи їм частину або всю свою енергію, які виробляють процес іонізації. На 1см пробігу γ-промені утворюють 1-2 пари іонів. У повітрі вони проходять шлях від кількох сотень метрів і навіть кілометрів, у бетоні – 25 см, у свинці – до 5 см, у воді – десятки метрів, а живі організми пронизують наскрізь.

γ-промені становлять значну небезпеку для живих організмів як джерело зовнішнього опромінення.

Лекція

«Елементи ядерної фізики»

Для лікувального факультету

Радіоактивність, її особливості, види та характеристика. Природні радіоактивні ізотопи та його характеристика.

Явище радіоактивності було відкрито 1896 року Беккерелем (слайд 4,5).

Радіоактивність - це мимовільне перетворення нестійких ядер одного елемента на ядра іншого елемента. (слайд 6)

Це супроводжується втратою речовини і часто називається радіоактивним розпадом.

особливості:

a. Завжди відбувається із виділенням енергії.

b. Здійснюється за єдиним законом (законом радіоактивного розпаду).

c. Обмежений ≈ 10 видами розпаду (α-розпад, β-розпад, γ-розпад, нейтронний, протонний та ін. розпади).

Обидва види радіоактивності немає фізичних відмінностей і підпорядковуються однаковим законам.

Природні радіоактивні ізотопи та його характеристика. (слайд 8)

Природна радіоактивність здійснюється рахунок радіоактивних ізотопів.

Природні радіоактивні ізотопи ділять на первинні та вторинні. (слайд 9)

1. Первинні- утворені у земній корі для формування Землі. Нині залишилися лише первинні ізотопи, що мають період напіврозпаду Т > 10 8 років. До них належать члени радіоактивних сімейств:

A. Сімейство урану – радія.

Уран (238) - родоначальник сімейства 238 92Uв результаті 14 радіоактивних перетворень дає стійкий ізотоп свинцю. 206 82Pb

Б. Сімейство торію 232 90Th(Т = 1,39 · 10 10 років) у результаті 10 перетворень дає ізотоп свинцю. 208 32Pb

B. Сімейство актинія 235 92U(Т = 7,3 · 108 років) в результаті 11 перетворень дає ізотоп свинцю. 207 32Pb

2. Вторинні- утворюються під дією первинних ізотопів або під дією космічних променів (протони, α - частинки, ядра С, N, O 2 фотони. (Слайд 10, 11)

особливості:

А. Підкоряються законам динамічної рівноваги: ​​їх освіта врівноважується розпадом.

Б. Вони включені до складу живих організмів. Велике біологічне значення має вторинний ізотоп 14, який утворюється з атмосферного азоту під дією космічних нейтронів. Ізотоп вуглецю 14 С у вигляді СО 2 (вуглекислого газу) засвоюється рослинами => тваринами => людиною. При загибелі живих рослин і тварин радіоактивність у них починає зменшуватися і за ступенем убутку можна визначити вік різних копалин.

"α", "β" та "γ" випромінювання та їх характеристика.

Випромінювання радіоактивних речовин складається з трьох компонентів:

1. α -промені(α – частинки) – іонізоване випромінювання, що несе позитивний заряд. | q | = | 2е | = 3,2 · 10-19 Кл. Має структуру ядра гелію

4 2 He(Слайд 20,21)

А = 4 – масове число.

Z = 2 – порядковий номер (заряд ядра).

m α = 6,7 · 10 -27 кг.

Властивості:

A. Відхиляються електричним та магнітним полями.

Б. α cp = 10 - 20000 км/с.

Е α = 1,8 ÷ 11,7 МеВ.

Спектр – лінійний.

B. Пробіг α - частки залежить від виду середовища

у воді – 0, 1 мм

у повітрі – 1 см.

Г. Мають невисокі проникні здібності (легко поглинаються тонкими шарами речовини; захистом від нього є лист картону, бавовняна тканина і т.п.).

Д. мають найбільшу іонізаційну здатність з усіх видів радіоактивних випромінювань (30 - 40 тисяч пар іонів на 1 см шляху пробігу в повітрі).

Е. При проходженні через шар речовини число α - часток не змінюється, а поступово змінюється їхня швидкість. Коли товщина шару досягає певної величини, -частинки поглинаються речовиною все відразу.

2. β-промені (β - частинки) - іонізоване випромінювання, що складається з позитивних та негативних β - Частинок. (Слайд 22,23)

β - або 0 -1е- Електрони q е = 1,6 · 10 -19 Кл

β + або 0 +1е- позитрони m e = 9 · 10 -31 кг

Електрони та позитрони випускаються при ядерних перетвореннях або утворюються при розпаді нейтрону. Властивості:

А. Відхиляються електричним та магнітним полем.

Б. β cp ≈ 150000 км/с.

Е β = 0,018 ÷ 4,8 МеВ.

Спектр – суцільний.

В. Пробіг β - частинок у середовищі залежить від виду середовища та енергії β - частинок

у воді – до 1, 5 см

у повітрі – до 100 см

Г. Мають більш високу проникаючу здатність, ніж α - промені (захистом від нього є шар металу товщиною 3 мм).

Д. Іонізаційна здатність менша, ніж у α - променів (300 - 400 пар іонів на 1 см шляху пробігу в повітрі).

E. Електронний β-розпад спостерігається переважно у тих ядер, у яких число нейтронів (0 1n)більше числа протонів (1 1Pb)

Позитронний β - розпад спостерігається, якщо число протонів більше за кількість нейтронів

Ж. β - частки великих енергій, взаємодіючи з ядрами атомів, дають гальмівне рентгенівське випромінювання.

3. γ-випромінювання- електромагнітне випромінювання, що є потоком фотонів з високою енергією (Е ф = 1 ÷ 3 МеВ). (Слайд 24,25)

Це короткохвильове випромінювання (λ ≈ 0,1÷ 10 -5 нм) виникає як вторинне явище при α та β - розпаді. Має природу, схожу на природу рентгенівського випромінювання.

Властивості:

A. Не відхиляється електричним та магнітним полями.

Б. γ = ν світла = 3 · 10 8 м / с.

Е γ = від 10 кеВ до 10 МеВ.

Спектр – лінійний.

B. Має іонізаційну здатність меншу, ніж у α і β - променів (3-4 пари іонів на 1 см шляху пробігу в повітрі).

Г. Довжина пробігу γ-променів у повітрі - до кількох сотень метрів.

Д. Має дуже високу проникаючу здатність (захистом є шар свинцю, товщиною 20 см і більше).

У медицині широко використовується для лікування глибоко розташованих злоякісних пухлин, у фармації – для стерилізації ліків та лікарських сумішей.

2. Закони усунення при "α" та "β" розпадах.(Слайд 26)

Закони усунення- це закони, за якими змінюються ядра радіоактивних елементів при "α" та "β" розпаді.

При формулюванні необхідно враховувати закон збереження маси та закон збереження заряду.

Закон збереження маси:

Масове число вихідного продукту має дорівнювати сумі масових продуктів реакції.

Закон збереження заряду:

Заряд ядра вихідного продукту повинен дорівнювати сумі зарядів ядер продуктів реакції.

1. Закон "α" – розпаду. (слайд 27)

При α - розпаду утворюється нове ядро ​​з масовим числом на 4 одиниці та порядковим номером на 2 одиниці менше, ніж у вихідного.

A ZX→ 4 2 He+ A-4Z-2Y

226 88Ra→ 4 2 He+ 222 86 Rn (При цьому виходить фотон з Е = 0,188 МеВ)

Особливість: у природних умовах зустрічається у елементів із порядковим номером Z > 83.

2. Закони електронного "β" - розпаду - (β-). (слайд 28)

При електронному - розпаді утворюється нове ядро ​​з тим же масовим числом і порядковим номером на 1 більше, ніж у вихідного:

A ZX→ A Z+1Y+ 0 -1 e

4019K→ 4020Ca+ 0 -1 e- розпад ізотопу калію з перетворенням його на кальцій

3. Закон позитронного "β" - розпаду (β+) (слайд 29)

При позитронному β - розпаді утворюється нове ядро ​​з тим самим масовим числом і порядковим номером на 1 менше, ніж у вихідного.

A ZX → A Z-1Y+ 0 +1 e

3015P→ 3014Si+ 0 +1 eРозпад ізотопу фосфору

Наслідки з 1, 2 та 3 законів:(Слайд 30)

"α" і "β" - розпаду в деяких випадках супроводжує випромінювання "γ" - квантів. Це випромінювання спостерігається так само при ізомерному переході ядер (із збудженого в збуджений стан);

(X) * = X + n γ® число γ – квантів

збудж. невозбужд.

стан стан

4. Електронне захоплення. (слайд 31)

При захопленні електрона вихідним ядром утворюється нове ядро ​​з тим самим масовим числом, і порядковим номером на 1 менше, ніж у вихідного.

Ядро захоплює електрон із найближчої до нього оболонки

Þ Z X + -1 e ® Z -1 Y

7 4Be+ 0 -1e→ 7 3Li

Зміст статті

РАДІОАКТИВНІСТЬ– перетворення атомних ядер на інші ядра, що супроводжується випромінюванням різних частинок та електромагнітного випромінювання. Звідси і назва явища: латиною radio – випромінюю, activus – дієвий. Це слово запровадила Марія Кюрі ( см. РАДІЙ). При розпаді нестабільного ядра – радіонукліда з нього вилітають із великою швидкістю одна чи кілька частинок високої енергії. Потік цих частинок називають радіоактивним випромінюванням або радіацією.

Промені Рентгена.

Відкриття радіоактивності було безпосередньо з відкриттям Рентгена . Більше того, деякий час думали, що це той самий вид випромінювання. Кінець 19 ст. взагалі був багатий на відкриття різноманітних не відомих до того «випромінювань». У 1880-х англійський фізик Джозеф Джон Томсон приступив до вивчення елементарних носіїв негативного заряду, в 1891 ірландський фізик Джордж Джонстон Стоні (1826–1911) назвав ці частки електронами. Зрештою, у грудні Вільгельм Конрад Рентген повідомив про відкриття нового виду променів, які він назвав Х-променями. Досі в більшості країн вони так і називаються, але в Німеччині та Росії прийнято пропозицію німецького біолога Рудольфа Альберта фон Келлікера (1817–1905) називати рентгенівськими променями. Ці промені виникають, коли електрони (катодні промені), що швидко летять у вакуумі, стикаються з перешкодою. Було відомо, що при попаданні катодних променів на скло воно випромінює видиме світло – зелену люмінесценцію. Рентген виявив, що одночасно від зеленої плями на склі виходять якісь інші невидимі промені. Це сталося випадково: то в темній кімнаті світився екран, покритий тетраціаноплатинатом барію Ba (раніше його називали платиносинеродистим барієм). Ця речовина дає яскраву жовто-зелену люмінесценцію під дією ультрафіолетових, а також катодних променів. Але катодні промені на екран не потрапляли, і більше того, коли пристрій був закритий чорним папером, екран продовжував світитися. Незабаром Рентген виявив, що випромінювання проходить через багато непрозорих речовин, викликає почорніння фотопластинки, загорнутої в чорний папір або навіть поміщеної в металевий футляр. Промені проходили через дуже товсту книгу, через ялинову дошку завтовшки 3 см, через алюмінієву пластину завтовшки 1,5 см... Рентген зрозумів можливості свого відкриття: «Якщо тримати руку між розрядною трубкою та екраном, – писав він, – то видно темні тіні кісток на тлі світліших обрисів руки». Це було перше історія рентгеноскопічне дослідження.

Відкриття Рентгена миттєво облетіло весь світ і вразило не лише фахівців. Напередодні 1896 року в книгарні одного німецького міста було виставлено фотографію кисті руки. На ній були видні кістки живої людини, а на одному з пальців – обручка. Це була знята в рентгенівському промені фотографія пензля дружини Рентгена. Перше повідомлення Рентгена Про новий род променівбуло опубліковано в «Звітах Вюрцбурзького фізико-медичного товариства» 28 грудня воно було негайно перекладено та опубліковано в різних країнах, що виходить у Лондоні найвідоміший науковий журнал «Nature» («Природа») опублікував статтю Рентгена 23 січня 1896 року.

Нові промені стали досліджувати у всьому світі, лише за один рік на цю тему було опубліковано понад тисячу робіт. Нескладні за конструкцією рентгенівські апарати з'явилися й у шпиталях: медичне застосування нових променів було очевидним.

Зараз рентгенівські промені широко використовуються (і не лише з медичною метою) у всьому світі.

Промені Беккерелі.

Відкриття Рентгена незабаром призвело до не менш визначного відкриття. Його зробив у 1896 французький фізик Антуан Анрі Беккерель. Він був 20 січня 1896 року на засіданні Академії, на якому фізик і філософ Анрі Пуанкаре розповів про відкриття Рентгена і продемонстрував зроблені вже у Франції рентгенівські знімки руки людини. Пуанкаре не обмежився розповіддю про нові промені. Він висловив припущення, що ці промені пов'язані з люмінесценцією і, можливо, завжди виникають одночасно з цим видом світіння, тож, ймовірно, можна обійтися без катодних променів. Світіння речовин під дією ультрафіолету - флуоресценція або фосфоресценція (у 19 ст. не було строгого розмежування цих понять) було знайоме Беккерелю: нею займалися і його батько Олександр Едмонд Беккерель (1820-1891), і дід Антуан Сезар Беккерель (17 обидві фізики; фізиком став і син Антуана Анрі Беккереля - Жак, який «у спадок» прийняв кафедру фізики при паризькому Музеї природної історії, цю кафедру очолювали 110 років, з 1838 по 1948.

Беккерель вирішив перевірити, чи пов'язані промені Рентгена з флуоресценцією. Яскравою жовто-зеленою флуоресценцією мають деякі солі урану, наприклад, уранілнітрат UO 2 (NO 3) 2 . Такі речовини були у лабораторії Беккереля, де працював. З препаратами урану працював ще його батько, який показав, що після припинення дії сонячного світла їхнє свічення зникає дуже швидко – менш як за соту частку секунди. Однак ніхто не перевіряв, чи супроводжується це свічення випромінюванням якихось інших променів, здатних проходити крізь непрозорі матеріали, як це було у Рентгена. Саме це після доповіді Пуанкаре вирішив перевірити Беккереля. 24 лютого 1896 року на щотижневому засіданні Академії він розповів, що беручи фотопластинку, загорнуту в два шари щільного чорного паперу, кладучи на неї кристали подвійного сульфату калію-уранила K 2 UO 2 (SO 4)2·2H2O і виставляючи все це на кілька годин сонячне світло, то після прояву фотопластинки на ній можна побачити дещо розмитий контур кристалів. Якщо між пластинкою і кристалами помістити монету або вирізану з жерсті фігуру, після прояви на платівці з'являється чітке зображення цих предметів.

Все це могло свідчити про зв'язок флуоресценції та рентгенівського випромінювання. Нещодавно відкриті Х-промені можна отримувати набагато простіше – без катодних променів і необхідних для цього вакуумної трубки та високої напруги, але треба було перевірити, чи не виявляється, що уранова сіль, нагріваючись на сонці, виділяє якийсь газ, який проникає під чорну папір і діє на фотоемульсію Щоб унеможливити цю можливість, Беккерель проклав між урановою сіллю і фотопластинкою лист скла – вона все одно засвітилася. «Звідси, – уклав своє коротке повідомлення Беккерель, – можна зробити висновок про те, що сіль, що світиться, випускає промені, які проникають через непрозорий для світла чорний папір і відновлюють срібні солі у фотопластинці». Начебто Пуанкаре мав рацію і Х-промені Рентгена можна отримати зовсім іншим способом.

Беккерель почав ставити безліч дослідів, щоб краще зрозуміти умови, за яких з'являються промені, що засвічують фотопластинку, та дослідити властивості цих променів. Він поміщав між кристалами та фотопластинкою різні речовини – папір, скло, пластинки алюмінію, міді, свинцю різної товщини. Результати виходили ті ж, що й у Рентгена, що також могло бути доказом на користь подібності обох випромінювань. Крім прямого сонячного світла, Беккерель освітлював сіль урану світлом, відбитим дзеркалом або заломленим призмою. Він отримав, що результати всіх попередніх дослідів ніяк не були пов'язані з сонцем; мало значення лише те, як довго уранова сіль знаходилася поблизу фотопластинки. Наступного дня Беккерель доповів про це на засіданні Академії, але висновок він, як потім з'ясувалося, зробив невірний: він вирішив, що сіль урану, хоч раз «заряджена» на світлі, здатна потім сама тривалий час випускати невидимі проникаючі промені.

Беккерель до кінця року він опублікував на цю тему дев'ять статей, в одній з них він писав: «Різні солі урану були поміщені в товстостінний свинцевий ящик... папір..., за вісім місяців».

Ці промені походили від будь-яких сполук урану, навіть від тих, які не світяться на сонці. Ще сильнішим (приблизно 3,5 разу) виявилося випромінювання металевого урану. Стало очевидним, що випромінювання хоч і схоже за деякими проявами на рентгенівське, але має більшу проникаючу здатність і якось пов'язане з ураном, тому Беккерель став називати його «урановими променями».

Беккерель виявив також, що "уранові промені" іонізують повітря, роблячи його провідником електрики. Практично одночасно, у листопаді 1896, англійські фізики Дж. Дж. Томсон та Ернест Резерфорд (виявили іонізацію повітря і під дією рентгенівських променів. Для вимірювання інтенсивності випромінювання Беккерель використовував електроскоп, в якому найлегші золоті листочки, підвішені за кінці та заряджені електрова їх вільні кінці розходяться. Якщо повітря проводить струм, заряд з листочків стікає і вони опадають – тим швидше, чим вища електропровідність повітря і, отже, більша інтенсивність випромінювання.

Залишалося питання, яким чином речовина випромінює безперервне і не слабне протягом багатьох місяців випромінювання без підведення енергії від зовнішнього джерела. Сам Беккерель писав, що не в змозі зрозуміти, звідки уран отримує енергію, яку він безперервно випромінює. З цього приводу висувалися різні гіпотези, іноді досить фантастичні. Наприклад, англійський хімік і фізик Вільям Рамзай писав:»… фізики дивувалися, звідки міг би взятися невичерпний запас енергії в солях урану. Лорд Кельвін схилявся до припущення, що уран служить свого роду пасткою, яка вловлює нічим іншим променисту енергію, що не виявляється, доходить до нас через простір, і перетворює її на таку форму, у вигляді якої вона робиться здатною виробляти хімічні дії».

Беккерель було ні прийняти цю гіпотезу, ні придумати щось правдоподібніше, ні відмовитися від принципу збереження енергії. Закінчилося тим, що він взагалі на деякий час кинув роботу з ураном і зайнявся розщепленням спектральних ліній у магнітному полі. Цей ефект був виявлений майже одночасно з відкриттям Беккереля молодим голландським фізиком Пітером Зеєманом і пояснений іншим голландцем Хендріком Антоном Лоренцем.

У цьому закінчився перший етап дослідження радіоактивності. Альберт Ейнштейн порівняв відкриття радіоактивності з відкриттям вогню, оскільки вважав, як і вогонь і радіоактивність – однаково великі віхи історія цивілізації.

Види радіоактивних випромінювань.

Коли в руках дослідників з'явилися потужні джерела радіації, в мільйони разів сильніші за уран (це були препарати радію, полонію, актинія), можна було детальніше ознайомитися з властивостями радіоактивного випромінювання. У перших дослідженнях на цю тему найактивнішу участь взяли Ернест Резерфорд дружини Марія та П'єр Кюрі, А.Беккерель, багато інших. Насамперед, було вивчено проникаючу здатність променів, і навіть вплив на випромінювання магнітного поля. Виявилося, що випромінювання неоднорідне, а є сумішшю «променів». П'єр Кюрі виявив, що при дії магнітного поля на випромінювання радію одні промені відхиляються, а інші ні. Було відомо, що магнітне поле відхиляє тільки заряджені частки, що летять, причому позитивні і негативні в різні сторони. У напрямку відхилення переконалися, що отклоняемые b -промені заряджені негативно. Подальші досліди показали, що між катодними і b-променями немає принципової різниці, звідки випливало, що вони є потіком електронів.

Промені, що відхилялися, мали сильнішу здатність проникати через різні матеріали, тоді як невідхиляються легко поглиналися навіть тонкою алюмінієвою фольгою - так поводилося, наприклад, випромінювання нового елемента полонію - його випромінювання не проникало навіть крізь картонні стінки коробки, в якій зберігався препарат.

При використанні сильніших магнітів виявилося, що a-промені теж відхиляються, тільки значно слабше, ніж b-промені, причому в інший бік. Звідси випливало, що вони заряджені позитивно і мають значно більшу масу (як потім з'ясували, маса a-часток у 7740 разів більша за масу електрона). Вперше це явище виявили 1899 року А.Беккерель та Ф.Гізель. Надалі з'ясувалося, що a-частинки є ядра атомів гелію (нуклід 4 Не) з зарядом +2 і масою 4 у.о. ( см. Вуглецева одиниця.). Коли ж у 1900 французький фізик Поль Війар (1860–1934) досліджував докладніше відхилення a - і b -променів, він виявив у випромінюванні радію і третій вид променів, що не відхиляються у найсильніших магнітних полях, це відкриття незабаром підтвердив і Беккерель. Цей вид випромінювання, за аналогією з альфа-і бета-променями, був названий гамма-променями, позначення різних випромінювань першими літерами грецького алфавіту запропонував Резерфорд. Гамма-промені виявилися подібними до променів Рентгена, тобто. вони є електромагнітне випромінювання, але з більш короткими довжинами хвиль і відповідно з більшою енергією. Всі ці види радіації описала М.Кюрі ( см. РАДІЙ) у своїй монографії «Радій та радіоактивність» (опублікована в Парижі в 1904, російський переклад – 1905). Замість магнітного поля для «розщеплення» радіації можна використовувати електричне поле, тільки заряджені частинки в ньому відхилятимуться не перпендикулярно силовим лініям, а вздовж них – у напрямку до пластин, що відхиляють.

Довгий час було неясно, звідки беруться всі ці промені. Протягом кількох десятиліть працями багатьох фізиків було з'ясовано природу радіоактивного випромінювання та його властивості, відкрили нові типи радіоактивності.

Альфа-промені випромінюють, головним чином, ядра найважчих і тому менш стабільних атомів (у періодичній таблиці вони розташовані після свинцю). Ці високоенергетичні частки. Зазвичай спостерігається кілька груп a -часток, кожна з яких має певну енергію. Так, майже всі a-частинки, що вилітають з ядер 226 Ra, мають енергію в 4,78 МеВ (мегаелектрон-вольт) і невелика частка a-частинок енергією в 4,60 МеВ. Інший ізотоп радію – 221 Ra випускає чотири групи a-часток з енергіями 6,76, 6,67, 6,61 та 6,59 МеВ. Це свідчить про наявність у ядрах кількох енергетичних рівнів, їхня різниця відповідає енергії випромінюваних ядром g-квантів. Відомі і "чисті" альфа-випромінювачі (наприклад, 222 Rn).

За формулою E = mu 2 /2 можна підрахувати швидкість a-часток з певною енергією. Наприклад, 1 моль a-часток з Е= 4,78 МеВ має енергію (в одиницях СІ) Е= 4,78·10 6 еВ ґ 96500 Дж/(еВ·моль) = 4,61·10 11 Дж/моль та масу m= 0,004 кг/моль, звідки u» 15200 км/с, що у десятки тисяч разів більше за швидкість пістолетної кулі. Альфа-частинки мають найсильнішу іонізуючу дію: стикаючись з будь-якими іншими атомами в газі, рідині або твердому тілі, вони обдирають з них електрони, створюючи заряджені частинки. При цьому a-частинки дуже швидко втрачають енергію: вони затримуються навіть аркушем паперу. У повітрі a-випромінювання радію проходить всього 3,3 см, a-випромінювання торію - 2,6 см і т.д. Зрештою втратила кінетичну енергію a -частка захоплює два електрони і перетворюється на атом гелію. Перший потенціал іонізації атома гелію (He - e ® He +) становить 24,6 еВ, другий (He + - e ® He +2) - 54,4 еВ, це набагато більше, ніж у будь-яких інших атомів. При захопленні електронів a-частинами виділяється величезна енергія (понад 7600 кДж/моль), тому жоден атом, крім атомів самого гелію, не в змозі утримати свої електрони, якщо по сусідству виявиться a-частка.

Дуже велика кінетична енергія a-часток дозволяє «побачити» їх неозброєним оком (або за допомогою звичайної лупи), вперше це продемонстрував у 1903 англійський фізик і хімік Вільям Крукс (1832 – 1919. Він приклеїв на кінчик голки ледь видиму оком крупинку зміцнив голку у широкій скляній трубці. зору всеяно спалахують і зараз же гаснуть іскрами. Кожна іскра - це результат удару однієї a-частки. виконано низку досліджень, наприклад, цим способом можна було досить точно визначити постійну Авогадро ( см. АВОГАДРО ЗАКОН).

В ядрі протони і нейтрони утримуються разом ядерними силами. Тому було незрозуміло, яким чином альфа-частка, що складається з двох протонів і двох нейтронів, може залишити ядро. Відповідь дав у 1928 американський фізик (який емігрував у 1933 з СРСР) Джордж (Георгій Антонович) Гамов). За законами квантової механіки a-частки, як і будь-які частинки малої маси, мають хвильову природу і тому у них є деяка невелика ймовірність опинитися поза ядром, на невеликому (приблизно 6 · 10 -12 см) відстані від нього. Як тільки це відбувається, на частинку починає діяти з кулонівським відштовхуванням від дуже близько позитивно зарядженого ядра.

Альфа-розпаду схильні, переважно, важкі ядра – їх відомо понад 200, a -частинки випускаються більшістю ізотопів елементів, що йдуть за вісмутом. Відомі ти легші альфа-випромінювачі, в основному, це атоми рідкісноземельних елементів. Але чому з ядра вилітають саме альфа-частинки, а чи не окремі протони? Якісно це пояснюється енергетичним виграшем при a-розпаді (a-частки - ядра гелію стійкі). Кількісна ж теорія a-розпаду була створена лише в 1980-х, в її розробці брали участь і вітчизняні фізики, серед них Лев Давидович Ландау, Аркадій Бейнусович Мігдал (1911–1991), завідувач кафедри ядерної фізики Воронезького університету Стані .

Виліт з ядра a-частинки призводить до ядра іншого хімічного елемента, який зміщений у періодичній таблиці на дві клітини вліво. Як приклад можна навести перетворення семи ізотопів полонію (заряд ядра 84) на різні ізотопи свинцю (заряд ядра 82): 218 Po ® 214 Pb, 214 Po ® 210 Pb, 210 Po ® 206 Pb, 21 ® 211 Pb, 212 Po ® 208 Pb, 216 Po ® 212 Pb. Ізотопи свинцю 206 Pb 207 Pb та 208 Pb стабільні, інші радіоактивні.

Бета-розпад.

Бета-розпад спостерігається як у важких, так і легких ядер, наприклад, у тритію. Ці легкі частинки (швидкі електрони) мають більш високу проникаючу здатність. Так, у повітрі b-частинки можуть пролетіти кілька десятків сантиметрів, у рідких і твердих речовинах – від часток міліметра до приблизно 1 см. На відміну від a-частинок, енергетичний спектр b-променів не дискретний. Енергія електронів, що вилітають з ядра, може змінюватися майже від нуля до деякого максимального значення, характерного для даного радіонукліда. Зазвичай середня енергія b-частин набагато менше, ніж у a-часток; наприклад, енергія b-випромінювання 228 Ra становить 0,04 МеВ. Але бувають і винятки; так b -випромінювання короткоживучого нукліду 11 Ве несе енергію 11,5 МеВ. Довго було неясно, яким чином з однакових атомів одного й того самого елемента вилітають частинки з різною швидкістю. Коли ж стало відомо зрозуміло будову атома і атомного ядра, з'явилася нова загадка: звідки взагалі беруться частинки, що вилітають з ядра b - адже в ядрі ніяких електронів немає. Після того як у 1932 англійський фізик Джеймс Чедвіком відкрив нейтрон, вітчизняні фізики Дмитро Дмитрович Іваненко (1904–1994) та Ігор Євгенович Тамм та незалежно німецький фізик Вернер Гейзенберг припустили, що атомні ядра складаються з протонів і складаються з протонів. У такому разі b-частинки повинні утворитися в результаті внутрішньоядерного процесу перетворення нейтрону в протон і електрон: n p + e. Маса нейтрону трохи перевищує сумарну масу протона та електрона, надлишок маси, відповідно до формули Ейнштейна E = mc 2 , дає кінетичну енергію електрона, що вилітає з ядра, тому b -розпад спостерігається, в основному, у ядер з надлишковим числом нейтронів. Наприклад, нуклід 226 Ra - a-випромінювач, а все більш важкі ізотопи радію (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra і 230 Ra) - b-випромінювачі.

Залишалося з'ясувати, чому b-частки, на відміну від a-часток, мають суцільний спектр енергії, це означало, що одні з них мають дуже малу енергію, а інші – дуже велику (і при цьому рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла) . Більше того, сумарна енергія всіх цих електронів (вона була виміряна за допомогою калориметра) виявилася меншою, ніж різниця енергії вихідного ядра та продукту його розпаду. Знову фізики зіштовхнулися з «порушенням» закону збереження енергії: частина енергії вихідного ядра незрозуміло куди зникала. Непорушний фізичний закон «врятував» у 1931 швейцарський фізик Вольфганг Паулі, який припустив, що при b-розпаді з ядра вилітають дві частинки: електрон та гіпотетична нейтральна частка – нейтрино з майже нульовою масою, яка і забирає надлишок енергії. Безперервний спектр b-випромінювання пояснюється розподілом енергії між електронами та цією частинкою. Нейтрино (як потім виявилося, при b-розпаді утворюється так зване електронне антинейтрино) дуже слабо взаємодіє з речовиною (наприклад, легко пронизує діаметром земну кулю і навіть величезну зірку) і тому довго не виявлялося - експериментально вільні нейтрино були зареєстровані тільки в 1956 р .Таким чином, уточнена схема бета-розпаду така: n ® p + . Кількісну теорію b-розпаду на основі уявлень Паулі про нейтрино розробив у 1933 італійський фізик Енріко Фермі, він же запропонував назву нейтрино (італійською «нейтрончик»).

Перетворення нейтрона на протон при b-розпаді практично не змінює масу нукліду, але збільшує заряд ядра на одиницю. Отже, утворюється новий елемент, зміщений в періодичній таблиці на одну клітинку вправо, наприклад: ® , ® виходить стабільний нуклід (саме на цьому прикладі Альварес відкрив цей тип радіоактивності).

При К-захопленні в електронній оболонці атома на місце зниклого електрона «спускається» електрон з вищого енергетичного рівня, надлишок енергії або виділяється у вигляді рентгенівського випромінювання, або витрачається на виліт з атома слабкіше пов'язаних одного або декількох електронів - так званих оже-електронів , на ім'я французького фізика П'єра Оже (1899-1993), який відкрив цей ефект у 1923 (для вибивання внутрішніх електронів він використовував іонізуюче випромінювання).

У 1940 Георгій Миколайович Флеров (1913-1990) і Костянтин Антонович Петржак (1907-1998) на прикладі урану відкрили мимовільне (спонтанне) розподіл, при якому нестабільне ядро ​​розпадається на два легших ядра, маси яких відрізняються не дуже сильно, наприклад: . Цей процес супроводжується виділенням величезної (порівняно з хімічними реакціями) енергії, що призвело до створення ядерної зброї та будівництва АЕС.

У 1934 році дочка Марії Кюрі Ірен Жоліо-Кюрі та її чоловік Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили позитронний розпад. У цьому процесі один із протонів ядра перетворюється на нейтрон і антиелектрон (позитрон) – частинку з тією ж масою, але позитивно заряджену; одночасно з ядра вилітає нейтрино: p ® n + e + + 238. Маса ядра при цьому не змінюється, а зсув відбувається, на відміну від b - -розпаду, вліво, b + -розпад характерний для ядер з надлишком протонів (так звані нейтронодефіцитні ядра ). Так, важкі ізотопи кисню 19 Про, 20 Про і 21 Про b - -активні, а його легкі ізотопи 14 Про і 15 Про b + -активні, наприклад: 14 O ® 14 N + e + + 238. Як античастинки, позитрони відразу ж знищуються (анігілюють) при зустрічі з електронами з утворенням двох g-квантів. Позитронний розпад часто конкурує із К-захопленням.

У 1982 була відкрита протонна радіоактивність: випромінювання ядром протона (це можливе лише для деяких штучно отриманих ядер, що мають надмірну енергію). У 1960 році фізико-хімік Віталій Йосипович Гольданський (1923–2001) теоретично передбачив двопротонну радіоактивність: викидання ядром двох протонів зі спареними спинами. Вперше вона спостерігалася в 1970 році. Дуже рідко спостерігається і двонейтронна радіоактивність (виявлена ​​в 1979).

У 1984 було відкрито кластерну радіоактивність (від англ. cluster – гроно, рій). При цьому, на відміну від спонтанного поділу, ядро ​​розпадається на уламки з сильно різними масами, наприклад, з важкого ядра вилітають ядра з масами від 14 до 34. Кластерний розпад також спостерігається дуже рідко, і це протягом тривалого часу ускладнювало його виявлення.

Деякі ядра здатні розпадатися з різних напрямів. Наприклад, 221 Rn на 80% розпадається з випромінюванням b-частинок і на 20% – a-частинок, багато ізотопів рідкісноземельних елементів (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm та ін) розпадаються або шляхом електронного захоплення, або з випромінюванням позитрона. Різні види радіоактивних випромінювань часто (але не завжди) супроводжуються g-випромінюванням. Відбувається це тому, що ядро, що утворюється, може мати надмірну енергію, від якої воно звільняється шляхом випромінювання гамма-квантів. Енергія g-випромінювання лежить у широких межах, так, при розпаді 226 Ra вона дорівнює 0,186 МеВ, а при розпаді 11 Ве досягає 8 МеВ.

Ілля Леєнсон

Література:

Старосільська-Нікітіна О.А. Історія радіоактивності та виникнення ядерної фізики. М., вид-во АН СРСР, 1963
Кудрявцев Л.С. Історія фізики, ТТ. 2, 3. М., Просвітництво, 1956, 1971
Содді Ф. Історія атомної енергії. М., Атоміздат, 1979
Кадменський С.Г. Радіоактивність атомних ядер: історія, результати, новітні досягнення. «Соросівський освітній журнал», 1999 № 11



Радіоактивність - це здатність атомів деяких ізотопів мимоволі розпадатися, випромінюючи випромінювання. Вперше таке випромінювання, яке випускає ураном, виявив Беккерель, тому спочатку радіоактивні випромінювання називали променями Беккереля. Основний вид радіоактивного розпаду – викидання з ядра атома альфа-частки – альфа-розпад (див. Альфа-випромінювання) або бета-частинки – бета-розпад (див. Бета-випромінювання).

При радіоактивному розпаді вихідний перетворюється на атом іншого елемента. В результаті викидання з ядра атома альфа-частинки, що представляє собою сукупність двох протонів і двох нейтронів, масове число атома, що утворюється (див.) зменшується на чотири одиниці, і він виявляється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на дві клітини вліво, так як порядковий номер елемента таблиці дорівнює числу протонів в ядрі атома. При викиданні бета-частинки (електрон) відбувається перетворення в ядрі одного нейтрону в протон, внаслідок чого атом, що утворюється, виявляється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на одну клітинку вправо. Маса його у своїй майже змінюється. Викидання бета-частинки зазвичай пов'язане з (див.).

Розпад будь-якого радіоактивного ізотопу відбувається за наступним законом: число атомів, що розпадаються в одиницю часу (n), пропорційно числу атомів (N), що є в наявності в даний момент часу, тобто n=λN; коефіцієнт λ називається постійною радіоактивного розпаду і пов'язаний з періодом напіврозпаду ізотопу (Т) співвідношенням λ= 0,693/T. Зазначений закон розпаду призводить до того, що за кожен відрізок часу, що дорівнює періоду напіврозпаду Т, кількість ізотопу зменшується вдвічі. Якщо атоми, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду, виявляються теж радіоактивними, то відбувається їх поступове накопичення, поки не встановиться радіоактивна рівновага між материнським і дочірнім ізотопами; при цьому число атомів дочірнього ізотопу, що утворюються в одиницю часу, дорівнює кількості атомів, що розпадаються за той же час.

Відомо понад 40 природних радіоактивних ізотопів. Більшість їх розташована у трьох радіоактивних рядах (родинах): урану-радію, і актинія. Усі зазначені радіоактивні ізотопи поширені у природі. Присутність їх у гірських породах, водах, атмосфері, рослинних та живих організмах зумовлює природну чи природну радіоактивність.

Окрім природних радіоактивних ізотопів, зараз відомо близько тисячі штучно радіоактивних. Отримують їх шляхом ядерних реакцій, переважно у ядерних реакторах (див. ). Багато природних і штучно радіоактивних ізотопів широко використовуються в медицині для лікування (див. Променева терапія) і особливо для діагностики захворювань (див. ). також Випромінювання іонізуючі.

Радіоактивність (від латів. radius - промінь і activus - дієвий) - здатність нестійких ядер атомів мимоволі перетворюватися на інші, більш стійкі чи стабільні ядра. Такі перетворення ядер називаються радіоактивними, а самі ядра чи відповідні атоми – радіоактивними ядрами (атомами). При радіоактивних перетвореннях ядра випускають енергію у вигляді заряджених частинок, або у вигляді гамма-квантів електромагнітного випромінювання або гамма-випромінювання.

Перетворення, у яких ядро ​​одного хімічного елемента перетворюється на ядро ​​іншого елемента з іншим значенням атомного номера, називають радіоактивним розпадом. Радіоактивні ізотопи (див.), що утворилися та існують у природних умовах, називають природно радіоактивними; такі ж ізотопи, отримані штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій - штучно радіоактивними. Між природно і штучно радіоактивними ізотопами немає важливої ​​різниці, оскільки якості ядер атомів і самих атомів визначаються лише складом і структурою ядра і залежить від методу їх освіти.

Радіоактивність була відкрита в 1896 Беккерелем (А. Н. Becquerel), який виявив випромінювання урану (див.), здатне викликати почорніння фотоемульсії і іонізувати повітря. Кюрі-Склодовська (М. Curie-Sklodowska) перша виміряла інтенсивність випромінювання урану і одночасно з німецьким ученим Шмідтом (G. С. Schmidt) виявила радіоактивність у торію (див.). Властивість ізотопів мимоволі випускати невидиме випромінювання дружини Кюрі назвали радіоактивністю. У липні 1898 р. вони повідомили про відкриття ними в смоляній урановій руді нового радіоактивного елемента полонію (див.). У грудні 1898 р. разом із Бемоном (G. Bemont) вони відкрили радій (див.).

Після відкриття радіоактивних елементів ряд авторів (Беккерель, подружжя Кюрі, Резерфорд та ін.) встановив, що ці елементи можуть випускати три види променів, які по-різному поводяться в магнітному полі. На пропозицію Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) ці промені були названі альфа- (див. Альфа-випромінювання), бета- (див. Бета-випромінювання) і гамма-променями (див. Гамма-випромінювання). Альфа-промені складаються з позитивно заряджених альфа-часток (двічі іонізованих атомів гелію Не4); бета-промені з негативно заряджених частинок малої маси - електронів; гамма-промені за природою аналогічні рентгеновим променям і є кванти електромагнітного випромінювання.

У 1902 р. Резерфорд і Содді (F. Soddy) пояснили явище радіоактивності мимовільним перетворенням атомів одного елемента на атоми іншого елемента, що відбувається за законами випадковості і супроводжується виділенням енергії у вигляді альфа-, бета-і гамма-променів.

У 1910 р. М. Кюрі-Склодовська разом із Деб'єрном (A. Debierne) отримала чистий металевий радій та досліджувала його радіоактивні властивості, зокрема виміряла постійну розпаду радію. Незабаром було відкрито низку інших радіоактивних елементів. Деб'єрн та Гізель (F. Giesel) відкрили актиній. Ган (О. Halm) відкрив радіоторій та мезоторій, Болтвуд (В. В. Boltwood) відкрив іоній, Ган та Майтнер (L. Meitner) відкрили протактіній. Усі ізотопи цих елементів радіоактивні. У 1903 р. П'єр Кюрі та Лаборд (С. A. Laborde) показали, що препарат радію має завжди підвищену температуру і що 1 г радію з продуктами його розпаду за 1 годину виділяє близько 140 ккал. Цього ж року Рамзай (W. Ramsay) та Содді встановили, що в запаяній ампулі з радієм міститься газоподібний гелій. Роботами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Деб'єрна і Гізеля було показано, що серед продуктів розпаду урану і торію є радіоактивні гази, що швидко розпадаються, названі еманаціями радію, торію і актинію (радон, торон, актинон). Таким чином, було доведено, що при розпаді атоми радію перетворюються на атоми гелію та радону. Закони радіоактивних перетворень одних елементів на інші при альфа- і бета-розпадах (закони усунення) були вперше сформульовані Содді, Фаянсом (К. Fajans) і Расселлом (W. J. Russell).

Ці закони полягають у наступному. При альфа-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший, який розташований у періодичній системі Д. І. Менделєєва на дві клітини ліворуч від вихідного елемента (порядковий або атомний номер на 2 менше вихідного); при бета-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший елемент, який розташований в періодичній системі на одну клітинку правіше вихідного елемента (атомний номер на одиницю більше, ніж у вихідного елемента).

Вивчення перетворень радіоактивних елементів призвело до відкриття ізотопів, тобто атомів, які мають однакові хімічні властивості та атомні номери, але відрізняються один від одного за масою та за фізичними властивостями, зокрема за радіоактивними властивостями (типу випромінювання, швидкості розпаду). З великої кількості відкритих радіоактивних речовин новими елементами виявилися лише радій (Ra), радон (Rn), полоній (Ро) та протактиній (Ра), а решта - ізотопами раніше відомих урану (U), торію (Th), свинцю (Pb). , талію (Tl) та вісмуту (Bi).

Після відкриття Резерфордом ядерної структури атомів та доказу, що саме ядро ​​визначає всі властивості атома, зокрема структуру його електронних оболонок та його хімічні властивості (див. Атом, Ядро атомне), стало ясно, що радіоактивні перетворення пов'язані з перетворенням атомних ядер. Подальше вивчення будови атомних ядер дозволило повністю розшифрувати механізм радіоактивних перетворень.

Перше штучне перетворення ядер – ядерна реакція (див.) – було здійснено Резерфордом у 1919 р. шляхом бомбардування ядер атомів азоту альфа-частинками полонію. При цьому ядра азоту випускали протони (див.) і перетворювалися на ядра кисню О17. У 1934 р. Ф. Жоліо-Кюрі та І. Жоліо-Кюрі (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) вперше отримали штучним шляхом радіоактивний ізотоп фосфору бомбардуючи альфа-частинками атоми Al. Ядра P30 на відміну ядер природно радіоактивних ізотопів, при розпаді випускали не електрони, а позитрони (див. Космічне випромінювання) і перетворювалися на стабільні ядра кремнію Si30. Таким чином, у 1934 р. були одночасно відкриті штучна радіоактивність і новий вид радіоактивного розпаду – позитронний розпад, або β+-розпад.

Подружжя Жоліо-Кюрі висловило думку про те, що всі швидкі частинки (протони, дейтони, нейтрони) викликають ядерні реакції і можуть бути використані для отримання природно радіоактивних ізотопів. Фермі (Е. Fermi) зі співробітництва, бомбардуючи нейтронами різні елементи, отримав радіоактивні ізотопи майже всіх хімічних елементів. В даний час за допомогою прискорених заряджених частинок (див. Прискорювачі заряджених частинок) і нейтронів здійснено велику різноманітність ядерних реакцій, внаслідок яких стало можливим отримувати будь-які радіоактивні ізотопи.

У 1937 р. Альварес (L. Alvarez) відкрив новий вид радіоактивного перетворення - електронне захоплення. При електронному захопленні ядро ​​атома захоплює електрон з оболонки атома і перетворюється на ядро ​​іншого елемента. У 1939 р. Ган і Штрассманн (F. Strassmann) відкрили поділ ядра урану на легші ядра (уламки поділу) під час бомбардування його нейтронами. У тому ж році Флеров і Петржак показали, що процес розподілу ядер урану здійснюється і без зовнішнього впливу мимоволі. Тим самим вони відкрили новий вид радіоактивного перетворення - мимовільне поділ важких ядер.

В даний час відомі наступні види радіоактивних перетворень, що здійснюються без зовнішніх впливів, мимоволі з огляду на внутрішні причини, зумовлені структурою атомних ядер.

1. Альфа-розпад. Ядро з атомним номером Z і масовим числом А випускає альфа-частинку - ядро ​​гелію Не4-і перетворюється на інше ядро ​​з Z меншим на 2 одиниці та А меншим на 4 одиниці, ніж у вихідного ядра. У загальному вигляді альфа-розпад записується так:

Де X – вихідне ядро, Y-ядро продукту розпаду.

2. Бета-розпадбуває двох типів: електронний та позитронний, або β-- та β+-розпад (див. Бета-випромінювання). При електронному розпаді з ядра вилітають електрон і нейтрино і утворюється нове ядро ​​з тим самим масовим числом А, але з атомним номером Z на одиницю більшим, нім у вихідного ядра:

При позитронному розпаді ядро ​​випускає позитрон і нейтрино і утворюється нове ядро ​​з тим самим масовим числом, але Z на одиницю меншим, ніж у вихідного ядра:

При бета-розпаді в середньому 2/3 енергії ядра уноситься частинками нейтрино (нейтральними частинками дуже малої маси, які дуже слабо взаємодіють з речовиною).

3. Електронне захоплення(колишня назва К-захоплення). Ядро захоплює електрон з однією з оболонок атома, найчастіше з К-оболонки, випускає нейтрино і перетворюється на нове ядро ​​з тим самим масовим числом А, але з атомним номером Z менше на 1, ніж у вихідного ядра.

Перетворення ядер при електронному захопленні та позитронному розпаді однакове, тому ці два види розпаду спостерігаються одночасно для тих самих ядер, тобто є конкуруючими. Так як після захоплення електрона з внутрішньої оболонки атома на його місце переходить електрон з однією з віддалених від ядра орбіт, то електронний захоплення супроводжується завжди випромінюванням рентгенівського характеристичного випромінювання.

4. Ізомірний перехід. Після випромінювання альфа- або бета-частинки деякі типи ядер перебувають у збудженому стані (стан із надмірною енергією) і випромінюють енергію збудження у вигляді гамма-квантів (див. Гамма-випромінювання). У цьому випадку при радіоактивному розпаді ядро, крім альфа-або бета-часток, також випускає гамма-кванти. Так, ядра ізотопу Sr90 випускають тільки β-частинки, ядра Na24 випускають, крім β-часток, також гамма-кванти. Більшість ядер перебуває у збудженому стані дуже малі проміжки часу, не піддаються виміру (менше 10 -9 сек.). Однак лише відносно невелика кількість ядер може бути у збудженому стані порівняно великі проміжки часу - до кількох місяців. Такі ядра називаються ізомерами, а відповідні переходи їх із збудженого стану в нормальний, що супроводжуються випромінюванням тільки гамма-квантів, - ізомерними. При ізомерних переходах А та Z ядра не змінюються. Радіоактивні ядра, що випускають тільки альфа-або бета-частинки, називаються чистими альфа- або бета-випромінювачами. Ядра, у яких альфа-або бета-розпад супроводжується випромінюванням гамма-квантів, називаються гамма-випромінювачами. Чистими гамма-випромінювачами є лише ядра, що знаходяться тривалий час у збудженому стані, тобто перетерплюють ізомерні переходи.

5. Мимовільний поділ ядер. В результаті розподілу з одного ядра утворюється два легші ядра - уламки розподілу. Так як однакові ядра можуть ділитися по-різному на два ядра, то в процесі розподілу утворюється багато різних пар легших ядер з різними Z і А. При розподілі звільняються нейтрони, в середньому 2-3 нейтрони на один акт поділу ядра, і гамма-кванти . Усі осколки, що утворюються при розподілі, є нестійкими і зазнають β--розпаду. Імовірність поділу є дуже малою для урану, але зростає зі збільшенням Z. Цим пояснюється відсутність Землі більш важких, ніж уран, ядер. У стабільних ядрах існує певне співвідношення між числом протонів і нейтронів, у якому ядро ​​має найбільшу стійкість, тобто. Найбільшою енергією зв'язку частинок у ядрі. Для легких та середніх ядер найбільшій їх стійкості відповідає приблизно рівний вміст протонів та нейтронів. Для тяжких ядер спостерігається відносне збільшення числа нейтронів у стійких ядрах. При надлишку в ядрі протонів або нейтронів ядра із середнім значенням А є нестійкими і зазнають β - або β + -розпади, при яких відбувається взаємне перетворення нейтрону і протону. При надлишку нейтронів (важкі ізотопи) відбувається перетворення одного з нейтронів на протон з випромінюванням електрона та нейтрино:

При надлишку протонів (легкі ізотопи) відбувається перетворення одного з протонів на нейтрон з випромінюванням або позитрона і нейтрино (β + -розпад), або тільки нейтрино (електронне захоплення):

Всі важкі ядра з атомним номером більші, ніж Pb82, є нестійкими внаслідок значної кількості протонів, що відштовхують один одного. Ланцюжки послідовних альфа- і бета-розпадів у цих ядрах відбуваються доти, доки утворюються стійкі ядра ізотопів свинцю. З поліпшенням експериментальної техніки у дедалі більшої кількості ядер, які раніше вважалися стабільними, виявляють дуже повільний радіоактивний розпад. В даний час відомо 20 радіоактивних ізотопів Z менше 82.

В результаті будь-яких радіоактивних перетворень кількість атомів даного ізотопу безперервно зменшується. Закон зменшення з часом кількості активних атомів (закон радіоактивного розпаду) є загальним всім видів перетворень і всіх ізотопів. Він носить статистичний характер (застосовується тільки для великої кількості радіоактивних атомів) і полягає в наступному. Кількість активних атомів даного ізотопу, що розпадаються за одиницю часу N/Δt, пропорційно кількості активних атомів N, тобто за одиницю часу розпадається завжди одна і та ж частка до активних атомів даного ізотопу незалежно від їх кількості. Величина називається постійною радіоактивного розпаду і являє собою частку активних атомів, що розпадаються за одиницю часу, або відносну швидкість розпаду. до вимірюється в одиницях, обернених одиницям виміру часу, тобто в сек.-1 (1/сек.), доба-1, рік-1 і т. п., для кожного радіоактивного ізотопу має своє певне значення, яке змінюється у дуже широких межах для різних ізотопів. Величина, що характеризує абсолютну швидкість розпаду, називається активністю даного ізотопу чи препарату. Активність 1 г речовини називається питомою активністю речовини.

З закону радіоактивного розпаду випливає, що зменшення кількості активних атомів N спочатку відбувається швидко, а потім все повільніше. Час, протягом якого кількість активних атомів або активність даного ізотопу зменшується вдвічі, називається періодом напіврозпаду (Т) даного ізотопу. Закон спадання N від часу t є експоненційним і має такий аналітичний вираз: N=N0e-λt, де N0 - кількість активних атомів у момент початку відліку часу (г=0), N - кількість активних атомів через час t, е - основа натуральних логарифмів (число, що дорівнює 2,718 ...). Між постійним розпадом і періодом напіврозпаду λ існує таке співвідношення: λТ-0,693. Звідси

Періоди напіврозпаду вимірюються сек., хв. і т. п. і для різних ізотопів змінюються в дуже широких межах від малих часток секунди до 10+21 років. Ізотопи, що володіють великими і малими Т, називаються короткоживучими, ізотопи з малими і великими Т називаються довгоживучими. Якщо активна речовина складається з декількох радіоактивних ізотопів з різними періодами напіврозпаду, генетично не пов'язаних між собою, то з часом активність речовини також безперервно зменшуватиметься і ізотопний склад препарату постійно змінюватиметься: зменшуватиметься частка короткоживучих ізотопів і зростатиме частка довгоживучих ізотопів. Через досить великий проміжок часу практично в препараті залишиться тільки довготривалий ізотоп. За кривими розпаду радіоактивних речовин, що складаються з одного або суміші ізотопів, можна визначити періоди напіврозпаду окремих ізотопів та їх відносні активності для будь-якого моменту часу.

Закони зміни активності генетично пов'язаних ізотопів якісно інші; вони залежать від співвідношення періодів їхнього напіврозпаду. Для двох генетично пов'язаних ізотопів з періодом Т1 для вихідного ізотопу та Т2 – продукту розпаду ці закони мають найпростішу форму. При T1>T2 активність вихідного ізотопу Q1 постійно зменшується за експоненційним законом з періодом напіврозпаду Т1. Завдяки розпаду ядер вихідного ізотопу утворюватимуться ядра кінцевого ізотопу і його активність Q2 зростатиме. Через певний час швидкість розпаду ядер другого ізотопу (стане близькою до швидкості утворення ядер цього ізотопу з вихідного (швидкість розпаду вихідного ізотопу Q1) і ці швидкості будуть перебувати у певному та постійному співвідношенні весь подальший час – настає радіоактивна рівновага.

Активність вихідного ізотопу безперервно зменшується з періодом Т1, тому після досягнення радіоактивної рівноваги активність кінцевого ізотопу Q2 і сумарна активність двох ізотопів Q1+Q2 будуть також зменшуватися з періодом напіврозпаду вихідного ізотопу Т1. При Т1> Т2 Q2 = Q1. Якщо з вихідного довгоживучого ізотопу утворюється послідовно кілька короткоживучих ізотопів, як це має місце в радіоактивному ряду урану і радію, то після досягнення рівноваги активності кожного ізотопу, що короткоживе, стають практично рівними активності вихідного ізотопу. При цьому загальна активність дорівнює сумі активностей всіх короткоживучих продуктів розпаду і зменшується з періодом: напіврозпаду вихідного довговічного ізотопу, як і активність всіх ізотопів, що знаходяться в рівновазі.

Радіоактивна рівновага досягається практично за час, що дорівнює 5-10 періодам напіврозпаду того ізотопу з продуктів розпаду, який має найбільший період напіврозпаду. Якщо T1

До природно радіоактивних ізотопів належить близько 40 ізотопів періодичної системи елементів з Z більше 82, які утворюють три послідовні ряди радіоактивних перетворень: ряд урану (рис. 1), ряд торію (рис. 2) і ряд актинія (рис. 3). Шляхом послідовних альфа- та бета-розпадів з вихідних ізотопів ряду виходять кінцеві стійкі ізотопи свинцю.

Мал. 1. Ряд урану.


Мал. 2. Ряд торію.


Мал. 3. Ряд актинія.

Стрілками на малюнках вказані послідовні радіоактивні перетворення із зазначенням типу розпаду та відсотка атомів, що зазнають розпаду даного типу. Горизонтальними стрілками позначені перетворення, які відбуваються майже 100% випадків, а похилими - у незначній частині випадків. При позначенні ізотопів вказані періоди їхнього напіврозпаду. У дужках дано колишні назви членів ряду, що вказують на генетичний зв'язок, без дужок - прийняті в даний час позначення ізотопів, що відповідають їх хімічній та фізичній природі. У рамки укладені довгоживучі ізотопи, а подвійні рамки - кінцеві стабільні ізотопи. Альфа-розпад зазвичай супроводжується дуже малоінтенсивним гамма-випромінюванням, частина бета-випромінювачів випромінює інтенсивне гамма-випромінювання. Природний фон обумовлений природною радіоактивністю-випромінюванням та впливом природно радіоактивних ізотопів, що містяться на поверхні Землі, у біосфері та повітрі, та космічним випромінюванням (див.). Крім зазначених ізотопів, у різних речовинах містяться також ізотоп К40 та близько 20 інших радіоактивних ізотопів з дуже великими періодами напіврозпаду (від 109 до 1021 років), внаслідок чого їхня відносна активність дуже мала в порівнянні з активністю інших ізотопів.

Радіоактивні ізотопи, що містяться в оболонці Землі, грали і відіграють виняткову роль у розвитку нашої планети, зокрема у розвитку та збереженні життя, оскільки вони компенсували втрати тепла, що відбуваються на Землі, і забезпечували практичну сталість температури на планеті протягом багатьох мільйонів років. Радіоактивні ізотопи, подібно до всіх інших ізотопів, містяться в природі в основному в розсіяному стані і присутні у всіх речовинах, рослинних і тваринних організмах.

Внаслідок відмінності фізико-хімічних властивостей ізотопів відносний вміст їх у ґрунтах та водах виявляється неоднаковим. Газоподібні продукти розпаду урану, торію та актинія - торон, радон і актинон - з ґрунтових вод безперервно надходять у повітря. Крім цих газоподібних продуктів, у повітрі містяться також альфа- та бета-активні продукти розпаду радію, торію та актинію (у вигляді аерозолів). З ґрунту радіоактивні елементи, як і стабільні, разом із ґрунтовими водами надходять у рослини, тому стебла та листя рослин завжди містять уран, радій, торій з продуктами їхнього розпаду, калій та ряд інших ізотопів, хоча й у відносно малих концентраціях. У рослинах і тваринах також присутні ізотопи С14, Н3, Be7 та інші, які утворюються в повітрі під впливом нейтронів космічного випромінювання. Внаслідок того, що відбувається безперервний обмін між людським організмом і навколишнім середовищем, всі радіоактивні ізотопи, що містяться в харчових продуктах, воді та повітрі, містяться і в організмі. Ізотопи знаходяться в організмі в наступних дозах: у м'яких тканинах-31 мбер/рік, у кістках-44мбер/рік. Доза від космічного випромінювання становить 80-90 мбер/рік, доза від зовнішнього гамма-випромінювання - 60-80 мбер/рік. Сумарна доза дорівнює 140-200 мбер/рік. Доза, що падає на легені, – 600-800 мбер/рік.

Штучно радіоактивні ізотопи виходять шляхом бомбардування стабільних ізотопів нейтронами або зарядженими частинками внаслідок різних ядерних реакцій, як джерела заряджених частинок використовуються різні типи прискорювачів.

Про вимірювання потоків та доз різних видів іонізуючих випромінювань - див. Дозиметрія, Дози іонізуючих випромінювань, Нейтрон.

Внаслідок того, що великі дози радіації шкідливо відбиваються на здоров'я людей, при роботі з джерелами випромінювань та радіоактивними ізотопами застосовуються спеціальні заходи захисту (див. ).

У медицині та біології ізотопи використовують для вивчення обміну речовин, у діагностичних та терапевтичних цілях (див. ). Зміст радіоактивних ізотопів в організмі та динаміку їхнього обміну визначають за допомогою лічильників зовнішнього випромінювання від людини.