Радиоактивность, раздел «Физик»
Французский физик А. Беккерель 1 марта 1896 г. обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает сам уран. Затем подобное качество было обнаружено и у тория. Радиоактивность (такое название получило открытое явление) оказывалась привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д. И. Менделеева. В 1898 г. французские ученые М. Склодовская‑Кюри и П. Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо более сильной степени, чем уран и торий. Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента — полоний и радий.
Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. Теперь это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента (см. Изотопы); при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (α‑частиц) (см. Альфа-распад).
Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т. е. расположенные в таблице Менделеева после висмута. У них вообще нет стабильных изотопов. Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов других элементов. А технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61), хотя и размещены в середине периодической системы, также не имеют ни одного стабильного изотопа и были синтезированы искусственно. Периоды полураспада их изотопов значительно меньше возраста Земли. То же самое можно сказать про изотопы элементов от полония до протактиния (исключая торий). Их продолжительность жизни невелика, и то, что они и поныне встречаются на нашей планете, объясняется однозначно: это продукты последовательных радиоактивных превращений изотопов урана и тория.
<addc>l</addc>
Природные радиоактивные изотопы испытывают распад, сопровождающийся испусканием α- или β‑частиц (в очень редких случаях отдельные изотопы проявляют оба вида радиоактивности; см. Альфа-распад, Бета-распад). В первом случае продуктом распада оказывается изотоп с Z на 2 меньше, чем у исходного; во втором — с Z на 1 больше. Эта закономерность, найденная в 1913 г. английскими учеными К. Фаянсом и Ф. Содди, носит название правила сдвига.
В 1940 г. советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений: спонтанное деление ядер (на примере 238U). В процессе деления образуются осколки — изотопы элементов середины периодической системы с Z от 30 (цинк) до 64 (гадолиний). Испускание γ‑лучей не приводит к превращениям элементов и потому не считается видом радиоактивных превращений. Гамма-излучение лишь сопровождает некоторые радиоактивные превращения, в которых конечные ядра образуются в возбужденных состояниях и переходят затем в основные состояния, испуская гамма‑кванты. Таким образом, количество способов радиоактивного распада у природных радиоактивных изотопов весьма ограничено.
Тем не менее ныне известны и другие способы. Они были открыты (или теоретически предсказаны) после того, как в 1934 г. французские ученые И. и Ф. Жолио‑Кюри наблюдали явление искусственной радиоактивности.
В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов α-частицами или нейтронами) образуются радиоактивные изотопы элементов, в природе не существующие. Именно эти искусственные радиоактивные продукты составляют подавляющее большинство среди всех известных ныне изотопов. И. и Ф. Жолио‑Кюри осуществили ядерную реакцию 2713Al(α, n)3015P, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Выяснилось, что он испускал позитрон. Этот тип радиоактивных превращений называют β+‑распадом (подразумевая под β−‑распадом испускание электрона). В ходе β+‑распада заряд ядра уменьшается на 1. Такое же изменение Z происходит при так называемом орбитальном захвате: некоторые ядра могут захватывать электрон с ближайших К- или (очень редко) L‑оболочек (см. Атом). Это тоже вид радиоактивных превращений. Принято β−-, β+‑распады и ε‑захват объединять под общим названием бета-распада. Теоретики уже давно предсказали возможность двойного β‑превращения — 2β‑распада, при котором одновременно испускаются два электрона или два позитрона. Но на практике этот путь «гибели» радиоактивного ядра пока не обнаружен. Зато недавно удалось наблюдать очень редкое явление протонной радиоактивности — испускание ядром протона. В 1982 г. было доказано существование двупротонной радиоактивности (предсказанной советским ученым В. И. Гольданским). Всем этим видам радиоактивных превращений подвержены только искусственные радиоизотопы, и в природе они не встречаются.
Радиоактивность характеризуется не только видом испускаемых частиц, но также и их энергией. Энергии испускаемых частиц могут достигать многих миллионов электронвольт, что в сотни тысяч и миллионы раз превосходит энергии химических процессов. Скорость радиоактивного распада подчиняется закону, выраженному формулой: Nt = N0•e−λt (e — основание натуральных логарифмов, е = 2,71828). В этой формуле Nt — число атомов радиоактивного элемента в момент времени N0 — в начальный момент времени; λ — постоянная радиоактивного распада. Зная её, легко найти период полураспада: T = ln2/λ. Величины T для известных радиоизотопов колеблются в пределах от 10−3с до 109 лет.
Радиоактивный распад — пример статистического, вероятностного процесса. Если у нас есть 100 радиоактивных атомов, то нет никакой возможности предсказать, когда и какой из них претерпит радиоактивное превращение. Распад данного атома может произойти в следующее мгновение, а может и через 10 минут, или через сутки, или через 100 лет. Радиоактивное превращение одного из атомов никак не влияет на превращения соседних атомов: процессы распада различных атомов протекают абсолютно независимо друг от друга. Бессмысленно говорить о периоде полураспада или времени жизни какого‑то одного атома. Употребляя эти термины, мы имеем в виду усредненные величины, измеренные при наличии достаточно большого числа атомов данного изотопа.
