Естественная и искусственная радиоактивность
Первые сведения об атомной энергии были получены в конце прошлого столетия, когда ученые обнаружили, что некоторые химические элементы (уран, радий и др.) испускают в окружающее пространство не видимые глазом излучения. Это явление, т. е. испускание частиц и электромагнитного излучения атомами некоторых элементов, происходящее вследствие ядерных превращений, стали называть радиоактивностью (от латинского слова «радиус» — луч). Ядерные превращения, т. е. самопроизвольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов, называются радиоактивным распадом.
Рис 8. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей
Различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественной называют радиоактивность естественных изотопов, т. е. химических элементов, которые встречаются в природе. Искусственной называют радиоактивность изотопов, получаемых искусственным путем. Естественная радиоактивность наблюдается у таких изотопов химических элементов, как, например, радий, ypart, торий и другие.
Достижения современной физики позволили получить очень большое количество искусственных радиоактивных изотопов. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех известных на сегодня химических элементов, начиная от водорода, самого легкого химического элемента, занимающего первое место в таблице Менделеева, и кончая центурием — самым тяжелым элементом, занимающим последнее, сотое место в этой таблице. Причем для многих химических элементов получены несколько изотопов. Например, известны такие изотопы водорода: легкий водород — 1протий1,тяжелый водород — 1дейтерий2 и сверхтяжелый водород — 1тритий3. Далее известны также несколько изотопов урана, например: 92уран233, 92уран234, 92уран235, 92уран 238, 92 уран 239. В последние годы было получено более 700 искусственных радиоактивных изотопов всех химических элементов, встречающихся в природе.
Какие же частицы испускают радиоактивные химические элементы при своем распаде? Как их можно обнаружить?
Для этой цели крупинку радиоактивного препарата вкладывали в свинцовую коробку (рис. 8). Такую установку помещали в сильное магнитное поле. Испускаемые этой крупинкой излучения, выходя через узкое отверстие, в магнитном поле раскладываются на три отдельных луча: вправо, влево и прямо, не отклоняясь. Этот опыт указывает, что некоторые вылетающие частицы имеют электрический заряд. Эти составляющие были названы соответственно альфа (α)-, бета (β)- и гамма (γ) - лучами. Дальнейшим исследованием было установлено, что альфа-частицы несут положительный заряд и являются ядрами атома гелия (2гелий4). Они вылетают из ядра радиоактивного элемента со скоростью, достигающей примерно 20 000 километров в секунду.
Отрицательно заряженные бета-частицы (β) представляют собой электроны, которые движутся с различными скоростями, достигающими примерно 250 000 километров в секунду.
Альфа- и бета-распад зачастую сопровождается невидимым электромагнитным излучением, получившим название гамма-излучения. Гамма-излучение, испускаемое ядрами отдельными порциями, или, как говорят, квантами, представляет собой поток материальных электрически нейтральных частиц, называемых фотонами, и распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 километров в секунду.
Естественно, что не все радиоактивные изотопы являются альфа- и бета-активными. Некоторые химические элементы испускают только альфа-частицы, другие элементы испускают только бета-частицы; существуют и такие элементы, которые испускают альфа- и бета-частицы одновременно.
Выше уже отмечалось, что в результате радиоактивного распада ядер образуются ядра новых химических элементов. Какие же это элементы?
Испускание альфа-частиц характерно для атомов тяжелых химических элементов. Очевидно, что заряд ядра, испускающего альфа-частицу, должен как-то измениться, ибо альфа-частица, являясь ядром атома гелия, уносит часть положительного заряда распадающегося ядра. В действительности так и происходит.
В результате альфа-распада получается ядро нового химического элемента, заряд ядра которого будет меньше заряда распавшегося ядра на две единицы, ибо альфа - частица, т. е. ядро атома гелия, несет положительный заряд в 2 элементарные единицы заряда. А так как место любого химического элемента в таблице Менделеева определяется зарядом ядра, то новый химический элемент, полученный в результате альфа-распада, будет находиться на 2 клеточки левее исходного. Массовое число ядра нового элемента также уменьшится на 4 единицы (т. е. на величину- массового числа альфа-частицы). Например, радий, испуская альфа-частицу, превращается в радиоактивный газ — радон. Эта ядерная реакция альфа- распада может быть записана следующим образом:
88радий226 -> 86радон222 + 2гелий4.
Другим видом радиоактивности является испускание бета-частиц, характерное для значительного числа естественных и искусственных радиоактивных изотопов. Испускание ядром бета-частицы происходит вследствие того, что один из нейтронов ядра превращается в протон. Следовательно, в этом случае заряд нового ядра увеличится на единицу. Так как вес электрона ничтожно мал, то потерей веса ядра вследствие испускания бета-частицы можно пренебречь. Поэтому в случае бета-распада принимается, что массовое число ядра остается прежним.
Пример такого бета-распада может быть записан так:
т. е. актиний, испуская бета-частицу, превращается в изотоп тория.
Возникает вопрос: какая же дальнейшая судьба альфа- и бета-частиц, испускаемых ядрами радиоактивных изотопов?
Эти частицы, вылетая с большой скоростью, сталкиваются с атомами окружающей среды. Сталкиваясь, они выбивают электроны из электронной оболочки атомов окружающей среды (воздуха, металлов и т. д.), в результате чего эти атомы превращаются в ионы.
Ионизирующую способность частиц оценивают удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, образующихся на одном сантиметре пути пробега частицы. В результате столкновения альфа-частицы с атомами окружающей среды она постепенно теряет скорость, а ее энергия постепенно уменьшается. Потеряв энергию, альфа-частица, т. е. ядро атома гелия, в конце концов присоединяет к себе свободные электроны, находящиеся всегда в любой среде, и таким образом превращается в атом гелия.
Бета-частица, т. е. быстро движущийся электрон, двигаясь, на своем пути также вызывает ионизацию атомов.
Замедленная бета-частица будет находиться в пространстве до тех пор, пока не будет присоединена ядром или атомом какого-либо элемента.
Распространение в любой среде гамма-излучения также сопровождается ионизацией атомов. В этом случае степень ионизации характеризуется числом пар ионов, образовавшихся под воздействием гамма-излучения в одном кубическом сантиметре среды. Эта степень ионизации и является мерой интенсивности гамма-излучения. Степень ионизации является также мерой поглощенной энергии гамма-лучей.
Бета-частицы обладают большей длиной пробега. Например, бета-частица с энергией в 3 мегаэлектрон-вольта в воздухе имеет длину пробега 14,5 метра, в воде — 12,5 миллиметра, в алюминии — 4,9 миллиметра.
Гамма-излучение в воздухе распространяется на сотни метров без существенного ослабления. Даже очень плотные вещества слабо задерживают гамма-излучение. Например, слой железа толщиной 7 сантиметров ослабляет гамма-излучение, обладающее энергией в 1 мегаэлектронвольт, в 10 раз. Для ослабления гамма-излучения, обладающего той же энергией в 1 мегаэлектрон-вольт, в 10 раз требуется слой бетона около 25 сантиметров, а грунта — 30—35 сантиметров.
Из приведенных данных можно сделать вывод, что для защиты от альфа- и бета-излучения могут быть использованы простейшие средства, в то время как для защиты от гамма-лучей требуются специальные инженерные сооружения.
Итак, мы рассмотрели радиоактивные излучения химических элементов. Однако процесс радиоактивного распада у разных химических элементов протекает с различными скоростями.
Для характеристики распада ядер во времени принят так называемый период полураспада. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течение которого распадается половина атомов этого вещества. Периоды полураспада для различных химических элементов колеблются в очень широких пределах — от миллиардных долей секунды до многих миллиардов лет. Так, период полураспада радия составляет 1590 лет, урана-238 — 4 500 000 000 лет. Это значит, что если взять один грамм, например, радия, то через 1590 лет от него останется полграмма, а через следующие 1590 лет — четверть грамма и т. д.
При распаде ядер большинства естественных и некоторых искусственных радиоактивных элементов образуются также радиоактивные ядра, в свою очередь, претерпевающие радиоактивный распад. Таким образом, в результате ряда превращений, сопровождающихся испусканием альфа- или бета-частиц, образуется целая цепочка радиоактивных элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется конечный нерадиоактивный элемент. Совокупность всех продуктов последовательных радиоактивных распадов образует радиоактивное семейство, т. е. ряд данного элемента. В настоящее время таких радиоактивных семейств известно четыре; родоначальниками этих семейств являются: 92уран 238, 90торий232, 92уран235 и 94плутоний241.