Физика. 11 класс

Некоторые ядра обладают способностью к самопроизвольному распаду, сопровождающемуся изменением физической структуры ядра, а, следовательно, и химических свойств атома. Различные атомы имеют различные временные характеристики данного процесса, что дало человеку новые возможности с одной стороны — в исследовании «прошлого» Земли, а с другой — в реализации искусственных превращений одних элементов в другие. Каковы же основные закономерности самопроизвольного распада атомов? Почему он происходит? Представляет ли он опасность для здоровья человека?

Историю ядерной физики принято отсчитывать с 1896 г. Именно в этом году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил, что соли урана обладают способностью засвечивать фотопластинку, испуская самопроизвольно какое-то неизвестное излучение. Это новое явление получило название радиоактивности (от лат. слов radio  — испускаю лучи, action — действенный).

Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения ядер, сопровождающееся испусканием частиц или ядер и коротковолнового электромагнитного излучения.

В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри, исследуя это новое явление, открыли новые радиоактивные химические элементы — радий  и полоний  . Вскоре были открыты и другие радиоактивные элементы. В 1899 г. Э. Pезерфорд выделил две составляющие радиоактивного излучения — α - и β - лучи. Он доказал, что α - лучи представляют собой ядра гелия, а Беккерель доказал, что β - лучи являются потоком электронов. В 1900 г. французский физик П. Виллард открыл γ - лучи, третью компоненту радиоактивного излучения, при исследовании излучения радия. Впервые такую терминологию использовал Резерфорд в 1903 г.

В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди обнаружили, что явление радиоактивности сопровождается превращением одного химического элемента в другой с выделением энергии, которая уносится излучением. Они выдвинули теорию, согласно которой радиоактивные излучения возникают при распаде ядер.

В 1898 г. Резерфорд обнаружил, что по проникающей способности излучение можно разделить на три различных вида. Излучение первого вида (α-частицы) не проходило даже сквозь лист бумаги (рис. 212), второго (β-частицы) — не проникало уже через алюминиевую пластинку толщиной несколько миллиметров, а третьего (γ-частицы) — проходило даже сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров.
Эти три вида излучения были названы согласно первым трем буквам греческого алфавита: соответственно α-, β- и γ-излучением. Впоследствии было обнаружено, что все эти виды излучения представляют собой известные частицы: α-излучение — это ядра атомов гелия  (также обозначается ), β-излучение — электроны, γ-излучение — электромагнитное излучение очень большой энергии.

Три составляющие радиоактивного излучения радия по-разному ведут себя в электрических и магнитных полях, отклоняясь в различных направлениях и на разные углы (рис. 213).
При α-распаде начального (так называемого материнского) ядра  продуктом распада оказывается изотоп Υ с числом протонов Z − 2 и массовым числом A − 4:

                         (1)

Отметим основные особенности α-распада:

1) он наблюдается как у естественных (встречающихся в природе) ядер (при Z > 83), так и у искусственных изотопов (при Z < 83), поскольку при этом энергетически выгодно испускание α-частиц;
2) энергия α-частиц, вылетающих из различных ядер, находится в основном в пределах (1,1—11,8) МэВ;
3) вылетающие α-частицы имеют дискретный спектр значений энергии (при распаде данного ядра испускается α-частица с определенной энергией).

Примером α-распада является реакция  в результате которой получается радон (рис. 214).
При β^--распаде ядра  образуется нуклид c атомным номером Z + 1 и таким же массовым числом, как материнское ядро, и испускается электрон. Для электронов в ядерной физике принято обозначение . С учетом этого реакцию β^- - распада можно записать следующим образом:

(2)

где  — неизвестная в то время частица, зарядовое и массовое числа которой равны нулю 

Отметим основные особенности распада:

1) наблюдается при радиоактивном распаде ядер с избытком нейтронов;

2) вылетающие электроны имеют непрерывный спектр значений кинетической энергии от 0 до , значение которой зависит от вида распадающегося ядра.

Общим признаком ядерной реакции является превращение одного атомного ядра в другое. Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Закономерности ядерных превращений (1) и (2) при α - и   распадах, установленные в 1913 г. английским ученым Фредериком Содди и польским ученым Казимежем Фаянсом, называются правилами смещения (сдвига).

Приведем пример  распада — излучение электрона нуклидом стронция:

При  распаде ядра, состоящего из нейтронов и протонов, испускаются электроны. Здесь возникает закономерный вопрос: «Откуда же они берутся?» И что это за частица  ?

Согласно квантовой теории распада, разработанной в 1934 г. итальянским физиком Энрико Ферми, в момент распада ядра внутри него происходит превращение одного из нейтронов в протон, сопровождающееся в соответствии с законами сохранения электрического заряда и энергии возникновением еще двух частиц — электрона и частицы, зарядовое и массовое числа которой равны нулю.

Эту частицу по предложению Ферми назвали нейтрино, что в переводе с итальянского означает «нейтрончик». Нейтрино обозначается греческой буквой ν. Именно испускание антинейтрино вместе с электроном приводит к тому, что электрон при распаде может иметь любую энергию от 0 до .

Как одну из самых известных ядерных реакций отметим еще первое искусственное получение Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г. радиоактивного изотопа фосфора в ходе ядерной реакции (рис. 215):

.

 Далее изотоп  превращается в изотоп :

с испусканием позитрона   (рис. 216). Эта частица имеет все свойства (массу, спин, заряд) электрона, но отличается знаком заряда.

Свойства нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому оно было экспериментально обнаружено только в 1952-1956 г.г. Фактически в любом веществе нейтрино ведет себя так, как будто вещества нет. Например, в свинце средняя длина пробега между взаимодействиями (проникающая способность) составляет величину порядка . Поэтому нейтрино свободно пронизывают космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные тела.

Реакция  распада нейтрона имеет вид:

,

(3)

где  обозначено антинейтрино. Эта  реакция схематично изображена на рисунке 217.  

Испускание γ - излучения, в отличие от α - и β - распадов ядер не приводит к превращениям элементов:      

.

Свойства γ-излучения:

1) коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны ;

2) не имеет электрического заряда;

3) спектр γ - излучения непрерывный. Энергия излучения находится в пределах от   до .

Обычно γ - излучение сопровождает радиоактивные превращения ядер при α- и β- распадах. Полученные при ядерных реакциях конечные ядра (их называют дочерними) оказываются в возбужденных состояниях с последующим переходом в основное состояние путем излучения γ - кванта.

Все радиоактивные распады происходят с выделением энергии, т.е. являются экзоэнергетическими, так как масса радиоактивного ядра превышает суммарную массу ядер продуктов распада.

Как объяснить стабильность одних ядер и нестабильность других?       Для стабильности ядер необходим баланс между протонами и нейтронами. Среди элементов с маленькими номерами стабильные ядра состоят из равного или почти равного количества протонов и нейтронов (отмечены черными точками на протон-нейтронной диаграмме на рис. 217-1). Так, например, ядро водорода  содержит 1 протон,  ядро гелия  — 2 протона и 2 нейтрона, ядро  кислорода  — 8 нейтронов и 8 протонов, ядро кальция  — 20 протонов и 20 нейтронов. Число нейтронов в них равно числу протонов и их соотношение . В них ядерные силы притяжения компенсируют кулоновские силы отталкивания.

Стабильные ядра всех элементов тяжелее кальция содержат уже больше нейтронов, чем протонов. С увеличением атомного номера Z рост количества протонов уменьшает энергию связи вследствие увеличения силы их кулоновского отталкивания. Поэтому для стабильности ядер, вследствие  короткодействия ядерных сил  требуется больше нейтронов, чем протонов. Так, например, ядро самого распространенного изотопа железа  состоит из 26 протонов и 30 нейтронов, т.е. .  У ядра изотопа висмута  состоит из 126 нейтронов и 83 протонов, т.е.. У ядра урана  — . Таким образом, чем больше протонов содержится в ядре, тем больше избыточных нейтронов необходимо для поддержания стабильности ядра. В тоже время избыток нейтронов приводит к увеличению размеров ядра и в результате к уменьшению энергии связи. Поэтому для элементов с номером большим 83 (Z > 83), сколько бы нейтронов не было, стабильности добиться невозможно, так как увеличение количества нейтронов не может компенсировать возросшую силу отталкивания.

До урана  радиоактивные ядра существуют в природе, с номерами Z > 92 получены искусственно.

Неустойчивыми являются как ядра, у которых протонов намного больше, чем нейтронов, так и ядра, у которых число нейтронов намного больше числа протонов. Ядра с избыточным содержанием нейтронов часто оказываются  радиоактивными.

Стабильность определенного нуклида зависит также от энергии этого нуклида по отношению к другим нуклидам с таким же количеством нуклонов. Например, нуклиды  и  содержат одинаковое количество нуклонов, но соотношение нейтронов и протонов разное  и  . Поэтому атом  самопроизвольно испытывает  распад и превращается в атом  .

Таким образом, стабильными являются ядра, которые обладают минимальной энергией по сравнению с ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.

Многие нестабильные изотопы встречаются в природе. Их радиоактивность называется естественной радиоактивностью. Стабильных изотопов известно около 270, искусственных изотопов, получаемых на ускорителях и реакторах, известно около 3000. Их радиоактивность называется искусственной радиоактивностью.

Основной способ получения радиоактивных изотопов — бомбардировка стабильных изотопов частицами высокой энергии. Для этой цели используют пучки протонов или электронов, разгоняемых в ускорителях, или нейтроны, получаемые в ядерных реакторах.

В промышленности радиоактивные изотопы применяют для исследования коррозии и износа, для определения расхода различных материалов, скорости и длительности протекания технологических процессов. Гамма-излучение находит широкое применение в медицине, как в диагностических целях, так и для лечения заболеваний. При диагностике заболеваний используют радиоактивный йод (). Для лечения злокачественных опухолей применяют γ-излучение с энергией . Гамма-излучение естественного радиоактивного изотопа калия  служит для определения радиоактивности человеческого тела и содержания калия в руде. Белорусский физик Владимир Григорьевич Барышевский (Белорусский государственный университет) сделал ряд открытий в ядерной физике, связанных с проявлением спиновых эффектов  нейтронов, гамма-квантов и является одним из основателей ядерной оптики поляризованных сред. В 1903 г. Анри Беккерель, Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри получили Нобелевскую премию по физике.  Беккерель в - «знак признания выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиации». Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри - «в знак признания … их совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем». В 1908 г. Э. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». В 1911 г.  Нобелевскую премию по химии вручили Марии Склодовской-Кюри «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделения радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». В 1921 г. Фредерику Содди была присуждена Нобелевская премия по химии «за вклад в химию радиоактивных вещества». В 1938 г. Энрико Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике «за выдающиеся теоретические и экспериментальные открытия в области ядерной физики» В 1945 г. В. Паули был награжден Нобелевской премией «за открытие принципа запрета». В 1995 г. Ф. Райнес был удостоен Нобелевской премией за открытие электронного антинейтрино.