Фізіка. 11 клас

Некаторыя ядры маюць здольнасць да самаадвольнага распаду, які суправаджаецца змяненнем фізічнай структуры ядра, а значыць, і хімічных уласцівасцей атама. Розныя атамы маюць розныя часовыя характарыстыкі дадзенага працэсу, што дало чалавеку новыя магчымасці, з аднаго боку, у даследаванні «мінулага» Зямлі, а з другога — у рэалізацыі штучных ператварэнняў адных элементаў у іншыя. Якія ж асноўныя заканамернасці самаадвольнага распаду атамаў? Чаму ён адбываецца? Ці небяспечны  ён для здароўя чалавека?

Гісторыю ядзернай фізікі прынята адлічваць з 1896 г. Менавіта ў гэтым годзе французскі фізік Антуан Анры Бекерэль выявіў, што солі ўрану маюць здольнасць засвечваць фотапласцінку, выпускаючы самаадвольна нейкае невядомае выпраменьванне. Гэта новая з’ява атрымала назву радыеактыўнасці (ад лац. radio — выпускаю прамені, action — дзейсны).

Радыеактыўнасць — з’ява самаадвольнага ператварэння ядзер, якая суправаджаецца выпусканнем часціц ці ядзер і кароткахвалевага электрамагнітнага выпраменьвання. 

У 1898 г. П’ер Кюры і Марыя Складоўская-Кюры, даследуючы гэту новую з’яву, адкрылі новыя радыеактыўныя хімічныя элементы — радый  і палоній . У хуткім часе былі адкрыты і іншыя радыеактыўныя элементы. У 1899 г. Э. Рэзерфард вылучыў два складаемыя радыеактыўнага выпраменьвання — α- і β-прамені. Ён даказаў, што α-прамені ўяўляюць сабой ядры гелію, а Бекерэль даказаў, што β-прамені з’яўляюцца патокам электронаў. У 1900 г. французскі фізік П. Вілард адкрыў γ-прамені, трэцюю кампаненту радыеактыўнага выпраменьвання, пры даследаванні выпраменьвання радыю. Упершыню такую тэрміналогію выкарыстаў Рэзерфард у 1903 г.

У 1903 г. Э. Рэзерфард і Ф. Содзі выявілі, што з’ява радыеактыўнасці суправаджаецца ператварэннем аднаго хімічнага элемента ў іншы з вылучэннем энергіі, якая адносіцца выпраменьваннем. Яны прапана­валі тэорыю, паводле якой радыеактыўныя выпраменьванні ўзнікаюць пры распадзе ядзер.

У 1898 г. Рэзерфард выявіў, што па пранікальнай здольнасці вы­праменьванні можна падзяліць на тры розныя віды. Выпраменьванне першага віду (α-часціцы) не праходзіла нават скрозь аркуш паперы (мал. 212), другога (β-часціцы) — не пранікала ўжо праз алюмініевую пласцінку таўшчынёй некалькі міліметраў, а трэцяга (γ-часціцы) — праходзіла нават скрозь слой свінцу таўшчынёй у некалькі сантыметраў. 

Гэтыя тры віды выпраменьвання былі названы паводле першых трох літар грэчаскага алфавіту: адпаведна α-, β- і γ-выпраменьваннем. Пасля было выяўлена, што ўсе гэтыя віды выпраменьвання ўяўляюць сабой вядомыя часціцы: α-выпраменьванне — гэта ядры атамаў гелію  (таксама абазначаецца ), β-выпраменьванне — электроны, γ-выпраменьванне — электрамагнітнае выпрамень­ванне вельмі вялікай энергіі. 

Тры складаючыя радыеактыўнага выпраменьвання радыю па-рознаму паводзяць сябе ў электрычных і магнітных палях, адхіляючыся ў розных напрамках і на розныя вуглы (мал. 213).

Пры α-распадзе пачатковага (так званага мацярынскага) ядра  прадуктам распаду аказваецца ізатоп Y з лікам пратонаў Z − 2 і масавым лікам A − 4:

                         (1)

Пералічым асноўныя асаблівасці a-распаду:

1) ён назіраецца як у натуральных (сустракаемых у прыродзе) ядзер (пры Z  >  83), так і ў штучных ізатопаў (пры Z  <  83), паколькі пры гэтым энергетычна выгадна выпусканне a-часціц;

2) энергія α-часціц, што вылятаюць з розных ядзер, знаходзіцца ў асноўным у межах (1,1—11,8) МэВ;

3) α-часціцы, што вылятаюць, маюць дыскрэтны спектр значэнняў энергіі (пры распадзе дадзенага ядра выпускаецца a-часціца з пэўнай энергіяй).

Прыкладам α-распаду з’яўляецца рэакцыя  у выніку якой атрымліваецца радон (мал. 214).

Пры β⁻-распадзе ядра  утвараецца нуклід з атамным нумарам Z + 1 і такім жа масавым лікам, як мацярынскае ядро, і выпускаецца электрон. Для электронаў у ядзернай фізіцы прынята абазначэнне . З улікам гэтага рэакцыю β⁻-распаду можна запісаць наступным чынам:

(2)

дзе  — невядомая ў той час часціца, зарадавы і массавы лікі якой роўны нулю 

Пералічым асноўныя асаблівасці β⁻-распаду:

1) назіраецца пры радыеактыўным распадзе ядзер з лішкам нейтронаў;

2) электроны, што вылятаюць, маюць неперарыўны спектр значэнняў кінетычнай энергіі ад 0 да E_max, значэнне якой залежыць ад віду распадаючагася ядра.

Агульнай прыкметай ядзернай рэакцыі з’яўляецца ператварэнне аднаго атамнага ядра ў іншае. Але радыеактыўны распад адбываецца самаадвольна, без знешняга ўздзеяння, а ядзерная рэакцыя выклікаецца ўздзеяннем бамбардзіруючай часціцы.

Заканамернасці ядзерных ператварэнняў (1) і (2) пры α- і β⁻-рас­па­дах, выяўленыя ў 1913 г. англійскім вучоным Фрэдэрыкам Содзі і поль­скім вучоным Казімежам Фаянсам, называюцца правіламі зрушэння (зруху).

Прыведзем прыклад β⁻-распаду — выпраменьванне электрона нук­лідам стронцыю:

Пры β⁻-распадзе ядра, якое складаецца з нейтронаў і пратонаў, выпускаюцца электроны. Тут паўстае заканамернае пытанне: «Адкуль жа яны бяруцца?» І што гэта за часціца 

Згодна з квантавай тэорыяй β⁻-распаду, распрацаванай у 1934 г. італьянскім фізікам Энрыка Фермі, у момант распаду ядра ўнутры яго адбываецца ператварэнне аднаго з нейтронаў у пратон, якое суправаджаецца ў адпаведнасці з законамі захавання электрычнага зараду і энергіі ўзнікненнем яшчэ дзвюх часціц — электрона і часціцы, зарадавы і массавы лікі якой роўны нулю. 

Гэту часціцу па прапанове Фермі назвалі нейтрына, што ў перакладзе з італьянскай азначае «нейтрончык». Нейтрына абазначаецца грэчаскай літарай ν. Менавіта выпусканне антынейтрына разам з электронам прыводзіць да таго, што электрон пры β⁻-распадзе можа мець любую энергію ад 0 да E_max.

Як адну з самых вядомых ядзерных рэакцый адзначым першае штучнае атрыманне Фрэдэрыкам і Ірэн Жоліа-Кюры ў 1934 г. радыеактыўнага ізатопа фосфару падчас ядзернай рэакцыі (мал. 215):

 

Далей ізатоп  ператвараецца ў ізатоп 

з   выпусканнем  пазітрона    (мал. 216). Гэта часціца мае ўсе ўлас­цівасці (масу, спін, зарад) электрона, але адрозніваецца знакам зараду.

Уласцівасці нейтрына аказаліся дзіўнымі. З-за адсутнасці электрычнага зараду і вельмі малой масы нейтрына вельмі слаба ўзаемадзейнічае з рэчывам, і таму яно было эксперыментальна выяўлена толькі ў 1952—1956 гг. Фактычна ў любым рэчыве нейтрына паводзіць сябе так, як быццам рэчыва няма. Напрыклад, у свінцы сярэдняя даўжыня прабегу паміж узаемадзеяннямі (пранікальная здольнасць) складае велічыню парадку 10¹⁸ м. Таму нейтрына вольна пранізваюць касмічную прастору, пралятаючы скрозь Зямлю, Сонца і іншыя нябесныя целы.

Рэакцыя β⁻-распаду нейтрона мае выгляд:

,

(3)

дзе  абазначана антынейтрына. Гэта β⁻-рэакцыя схематычна паказана на малюнку 217.

Выпусканне γ-выпраменьвання ў адрозненне ад α- і β-распадаў ядзер не прыводзіць да ператварэнняў элементаў:

Уласцівасці γ-выпраменьвання:

1) караткахвалевае электрамагнітнае выпраменьванне з даўжынёй хвалі 

2) не мае электрычнага зараду;

3) спектр γ-выпраменьвання неперарыўны. Энергія выпраменьвання знаходзіцца ў межах ад ~10 МэВ да ~1 МэВ.

Звычайна γ-выпраменьванне суправаджае радыеактыўныя ператварэнні ядзер пры α- і β-распадах. Атрыманыя пры ядзерных рэакцыях канечныя ядры (іх называюць даччынымі) аказваюцца ва ўзбуджаных станах з наступным пераходам у асноўны стан шляхам выпраменьвання γ-кванта.

Усе радыеактыўныя распады адбываюцца з вылучэннем энергіі, г. зн. з’яўляюцца экзаэнергетычнымі, паколькі маса радыеактыўнага ядра перавышае сумарную масу ядзер прадуктаў распаду.

Як растлумачыць стабільнасць адных ядзер і нестабільнасць іншых? Для стабільнасці ядзер неабходзен баланс паміж пратонамі і нейтронамі. Сярод элементаў з маленькімі нумарамі стабільныя ядры складаюцца з роўнай ці амаль роўнай колькасці пратонаў і нейтронаў.(пазначаны чорнымі кропкамі на пратон-нейтроннай дыяграме на малюнку 217-1). Так, напрыклад, ядро вадароду  змяшчае 1 пратон, ядро гелію  — 2 пратоны і 2 нейтроны, ядро кіслароду  — 8 нейтронаў і 8 пратонаў, ядро кальцыю  — 20 пратонаў і 20 нейтронаў. Лік нейтронаў у іх роўны ліку пратонаў і іх суадносіна  У іх ядзерныя сілы прыцягнення кампенсуюць кулонаўскія сілы адштурхвання.

Стабільныя ядры ўсіх элементаў, цяжэйшых за кальцый, утрым­лі­ваюць ужо больш нейтронаў, чым пратонаў. З павелічэннем атамнага нумара Z рост колькасці пратонаў памяншае энергію сувязі з прычыны павелічэння сілы іх кулонаўскага адштурхвання. Таму для стабільнасці ядзер з прычыны кароткадзеяння ядзерных сіл  патрабуецца больш нейтронаў, чым пратонаў. Так, напрыклад, ядро самага распаўсюджанага ізатопа жалеза  складаецца з 26 пратонаў і 30 нейтронаў, г. зн.  Ядро ізатопа вісмуту  складаецца са 126 нейтронаў і 83 пратонаў, г. зн.  У ядра ўрану  —  Такім чынам, чым больш пратонаў змяшчаецца ў ядры, тым больш лішкавых нейтронаў неабходна для падтрымкі стабільнасці ядра. У той жа час лішак нейтронаў прыводзіць да павелічэння памераў ядра
і ў выніку да памяншэння энергіі сувязі. Таму для элементаў з нумарам, большым за 83 (Z > 83), колькі б нейтронаў не было, стабільнасці дамагчыся немагчыма, паколькі павелічэнне колькасці нейтронаў не можа кампенсаваць узросшую сілу адштурхвання. 

Да ўрану  радыеактыўныя ядры існуюць у прыродзе, а з нумарамі Z   >  92 атрыманы штучна.

Няўстойлівымі з’яўляюцца як ядры, у якіх пратонаў нашмат больш, чым нейтронаў, так і ядры, у якіх лік нейтронаў нашмат большы за лік пратонаў. Ядры з лішкавым утрыманнем нейтронаў часта аказваюцца β⁻-радыеактыўнымі.

Стабільнасць пэўнага нукліда залежыць таксама ад энергіі гэтага нукліда ў адносінах да іншых нуклідаў з такой жа колькасцю нуклонаў. Напрыклад, нукліды  і  змяшчаюць аднолькавую колькасць нуклонаў, але суадносіна нейтронаў і пратонаў розная  і  Таму атам  самаадвольна зведвае β⁻-распад і пера­твараецца ў атам 

Такім чынам, стабільнымі з’яўляюцца ядры, што валодаюць мінімальнай энергіяй у параўнанні з ядрамі, у якія дадзенае ядро магло б самаадвольна ператварыцца.

Многія нестабільныя ізатопы сустракаюцца ў прыродзе. Іх радые­актыўнасць называецца натуральнай радыеактыўнасцю. Стабільных ізатопаў вядома каля 270, штучных ізатопаў, якія атрымліваюцца на паскаральніках і рэактарах, вядома каля 3000. Іх радыеактыўнасць называецца штучнай радыеактыўнасцю.

Асноўны спосаб атрымання радыеактыўных ізатопаў — бамбардзі­роўка стабільных ізатопаў часціцамі высокай энергіі. Для гэтай мэ­ты выкарыстоўваюць пучкі пратонаў ці электронаў, разганяемых у паскаральніках, або нейтроны, якія атрымліваюцца ў ядзерных рэактарах.

У прамысловасці радыеактыўныя ізатопы ўжываюць для даследавання карозіі і зносу, для вызначэння расходу розных матэрыялаў, скорасці і працягласці праходжання тэхналагічных працэсаў. Гама-выпраменьванне знаходзіць шырокае прымяненне ў медыцыне, як у дыягнастычных мэтах, так і для лячэння захворванняў. Пры дыягностыцы захворванняў выкарыстоўваюць радыеактыўны ёд (). Для лячэння злаякасных пухлін ужываюць γ-выпраменьванне з энергіяй . Гама- выпраменьванне натуральнага радыеактыўнага ізатопа калію  служыць для вызначэння радыеактыўнасці цела чалавека і ўтрымання калію ў рудзе. Беларускі фізік Уладзімір Рыгоравіч Барышэўскі (Беларускі дзяржаўны ўніверсітэт) зрабіў шэраг адкрыццяў у ядзернай фізіцы, злучаных з праявай спінавых эфектаў нейтронаў, гама-квантаў, і з’яўляецца адным з заснавальнікаў ядзернай оптыкі палярызаваных асяроддзяў. У 1903 г. Анры Бекерэль, П’ер Кюры і Марыя Складоўская-Кюры атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы. Бекерэль — у «знак пры­знання выдатных заслуг, якія выразіліся ў адкрыцці самаадвольнай радыяцыі». П’ер Кюры і Марыя Складоўская-Кюры — «у знак прызнання… іх сумесных даследаванняў з’яў радыяцыі, адкрытых прафесарам Анры Бекерэлем». У 1908 г. Э. Рэзерфарду была прысуджана Нобелеўская прэмія па хіміі «за праведзеныя ім даследаванні ў вобласці распаду элементаў у хіміі радыеактыўных рэчываў».  У 1911 г. Нобелеўскую прэмію па хіміі ўручылі Марыі Складоўскай-Кюры «за выдатныя заслугі ў развіцці хіміі: адкрыццё элементаў радыю і палонію, вылучэнне радыю і вывучэнне прыроды і злучэнняў гэтага выдатнага элемента». У 1921 г. Фрэдэрыку Содзі была прысуджана Нобелеўская прэмія па хіміі «за ўклад у хімію радыеактыўных рэчываў». У 1938 г. Энрыка Фермі быў ганараваны Нобелеўскай прэміі па фізіцы «за выдатныя тэарэтычныя і эксперыментальныя адкрыцці ў вобласці ядзернай фізікі». У 1945 г. В. Паўлі быў узнагароджаны Нобелеўскай прэміяй па фізіцы «за адкрыццё прынцыпу забароны». У 1995 г. Ф. Райнес быў ганараваны Нобелеўскай прэміі па фізіцы за адкрыццё электроннага антынейтрына.