В данной статье мы ознакомимся с термином «радиоактивность». Это понятие мы рассмотрим в общем виде, с точки зрения протекания процесса распада. Проанализируем главные виды излучения закон распада, исторические данные и многое другое. Отдельно остановимся на понятии «изотоп» и ознакомимся с явлением электронного распада.
Введение
Радиоактивность – это качественный параметр атомов, который позволяет некоторым изотопам распадаться в самопроизвольном порядке и испускать при этом излучение. Первое подтверждение этому утверждению было сделано Беккерелем, проводившим опыты над ураном. Именно по этой причине, лучи, испускаемые ураном, наименовывались в его честь. Явление радиоактивности – это выброс альфа- или бета-частички из ядра атома. Радиоактивность выражает себя в виде разложения атомного ядра определенного элемента и позволяет последнему превращаться из атома одного элемента в другой.
В ходе данного процесса происходит распад исходного атома с последующим превращением в атом, характеризующий другой элемент. Результатом выбрасывания четырех альфа-частиц из атомного ядра станет уменьшение массового числа, которое образует сам атом, на четыре единицы. Это приводит к сдвигу в таблице Менделеева на пару позиций влево. Данное явление вызвано тем, что в ходе «альфа-выстрела» были выброшены 2 протона и 2 нейтрона. А номер элемента, как мы помним, соответствует количеству протонов в ядре. Если выброшена была бета-частица (е-) то следом происходит трансформация нейтрона из ядра в один протон. Это приводит к сдвигу в таблице Менделеева на одну клеточку вправо. Масса изменяется на крайне малые значения. Выброс отрицательно заряженных электронов сопряжен с излучением гамма-лучей.
Закон распада
Радиоактивность – это явление, в ходе которого происходит распад изотопа в радиоактивном виде. Этот процесс подчинен закону: чисто атомов (n), которое распадаются за единицу времени, пропорционально количеству атомов (N), которые имеются в конкретный временной момент:
n = λN.
В этой формуле под коэффициентом λ подразумевают постоянную величину распада радиоактивного характера, которая связана с длительностью полураспада изотоп (T) и соответствует следующему утверждению: λ =0.693/T. Из этого закона вытекает то, что после истечения отрезка времени, равного периоду полураспада, количественная величина изотопа станет меньше в два раза. Если атомы, которые образовались в ходе радиоактивного (р-ного) распада, станут обладать такой же природой, то начнется их накопление, которое длиться будет до момента установления радиоактивного равновесия между двумя изотопами: дочерним и материнским.
Теория и радиоактивный распад
Радиоактивность и распад – это взаимосвязанные объекты изучения. Первое (р-ность) становится возможным благодаря второму (процесс распада).
Понятие радиоактивного распада характеризует себя, как преображение состава или структуры строения атомного нестабильного ядра. Причем, явление это спонтанное. Происходит испускание элементарной частицы (ч-цы) или гамма кванта, а также выброс ядерных фрагментов. Соответствующие этому процессу нуклиды называют радиоактивными. Однако данным термином также называют вещества, ядра которых также относятся к радиоактивным.
Естественная радиоактивность – это распад ядер атомов, что встречаются в природе в самопроизвольном порядке. Искусственной р-тью называют тот же процесс, что мы упомянули выше, но он осуществляется человеком с применением искусственных путей, которые соответствуют особым ядерным реакциям.
Материнским и дочерним называют те ядра, которые распадаются, и те, которые образуются как конечный продукт этого распада. Массовое число и заряд дочерней структуры описывается в правиле смещения Содди.
Явление радиоактивности включает в себя разные спектры, которые зависят от типа энергии. При этом спектр альфа-частиц и y-кварков относятся к прерывистому (дискретному) типу спектра, а бета-частицы – непрерывные.
На сегодняшний день, нам известны не только альфа- гамма- и бета-распады, но и было обнаружено испускание протонов, нейтронов. Также было открыто понятие кластерной радиоактивности и спонтанного деления. Захват электронов, позитронов и двойной распад бета-частиц входят в раздел бета-распада и рассматривают как его разновидность.
Существуют изотопы, которые могут подвергаться одновременно двум или более видам распада. Примером может служить висмут 212, который с 2/3 вероятности образует таллий 208 (при применении распада альфа типа) и 1/3 приведет к возникновению полония 212 (при эксплуатации бета-распада).
Ядро, которое образовалось в ходе такого распада, иногда может обладать такими же радиоактивными свойствами, и через некоторое время будет разрушено. Явление р-ного распада происходит проще при отсутствии стабильного ядра. Цепочкой распада называют последовательность подобных процессов, а возникающие при этом нуклеотиды именуют радиоактивными ядрами. Ряды таких элементов, которые начинаются с урана 238 и 235, а также тория 232, в конечном итоге приходят в состояние стабильных нуклеотидов, соответственно свинец 206 и 207 и 208.
Явление радиоактивности позволяет некоторым ядрам (изобарам) с одинаковым массовым числом превращаться друг в друга. Это возможно благодаря бета-распаду. Каждая изобарная цепочка включает в себя от одного до трех стабильных нуклидов бета-типа (у них нет способностей к бета-распаду, однако они могут быть нестабильным, например, по отношению к иным видам р-ного распада). Весь остальной набор ядер данной цепи является бета-нестабильным. Посредством применения β-минус- или β-плюс распада, можно превратить ядро в нуклид со β-стабильной формой. Если в изобарной цепи находятся такие нуклиды, то ядро может начать подвергаться бета- положительному или отрицательному распаду. Это явление называют электронным захватом. Примером может служить распад радионуклида калий 40 на соседние β-стабильные состояния аргона 40 и кальция 40.
Об изотопах
Радиоактивность – это, в первую очередь, распад изотопов. В настоящее время человеку известно более сорока изотопов, обладающих радиоактивность и находящихся в естественных условиях. Преобладающее количество расположилось в р-ных рядах: уран-радий, торий и актиний. Все эти частички существуют и распространяются в природе. Они могут присутствовать в горной породе, водах мирового океана, растениях и животных и т.д., а также они обуславливают явление естественной природной радиоактивности.
Помимо естественного ряда р-ных изотопов, человеком было создано более тысячи искусственных видов. Способ получения чаще всего реализует себя в ядерных реакторах.
Множество р-ных изотопов используют и применяют в медицинских целях, например, для борьбы с раком. Очень большое значение они имеют в области диагностики.
Общие сведения
Суть радиоактивности заключается в том, что атомы могут самопроизвольно превращаться из одних в другие. При этом они приобретают более устойчивую или стабильную структуру ядра. Р-ное ядро в ходе трансформации активно выделяет энергетические ресурсы атома, которые принимают вид заряженных частиц или доходят до состояния гамма-квантов; последние в свою очередь образуют либо соответствующее (гамма), либо электромагнитное излучение.
Мы уже знаем о существовании радиоактивных изотопов искусственной и естественной природы. Важно понимать, что между ними нет особого и/или принципиального различия. Это обуславливается свойствами ядер, которые определяться могут только в соответствие структурированием ядра, и они не зависят путей создания.
Из истории
Как и говорилось ранее, открытие радиоактивности произошло благодаря трудам Беккереля, которые были совершены в 1896 году. Этот процесс был выявлен в ходе проведения экспериментов над ураном. Если конкретнее, то ученый старался вызвать эффект почернения фотоэмульсии и подвергнуть воздух ионизации. Мадам Кюри-Склодовская была первой особой, которая измерила величину интенсивности излучения U. А одновременно с ученым из Германии Шмидтом, она выявила р-ность тория. Именно супружеская пара Кюри, после открытия невидимого излучения, наименовала его радиоактивным. В 1898 году ими же было совершено обнаружение полония – еще одного р-ного элемента, который залегал в урановых смоляных рудах. Радий были открыт супругами Кюри также в 1898 г., но немного ранее. Работа была совершена вместе с Бемоном.
После того как было открыто множество р-ных элементов, немалым количеством авторов было доказано и продемонстрировано, что все они обуславливают излучение трех видов, которые изменяют свое поведение в условиях магнитного поля. Единицей радиоактивности служит беккерель (Бк, или Bq). Резерфорд предложил назвать обнаруженные лучи альфа-, бета- и гамма-лучами.
Альфа-излучение – это набор частиц с положительным зарядом. Бета-лучи образуются при помощи электронов, частиц с отрицательным зарядом и малой массой. Гамма-лучи являются аналогом рентгеновских лучей и представлены в виде электромагнитных квантов.
В 1902 году Резерфордом и Содди было объяснено явление радиоактивности посредством произвольной трансформации атома одного элемента в другой. Данный процесс подчинялся законам случайности и сопровождался выделением энергетических ресурсов, которые приняли вид гамма-, бета- и альфа-лучей.
Естественную радиоактивность исследовала М. Кюри совместно с Дебьерном. Они получили в 1910 году металл – радий – в чистом виде, и исследовали его свойства. В частности, внимание уделялось измерению постоянного распада. Дебьерн и Гизель совершили открытие актиния, а Ган обнаружил такие атомы, как радиотории и мезотории. Болтвудом был описан ионий, а Ган и Майтнер совершили открытие протактиния. Каждый изотоп упомянутых элементов, которые были отрыты, обладает радиоактивными свойствами. Пьером Кюри и Лабордом в 1903 году было описано явление распада радия. Они показали, что продукты реакции 1 грамма Ra за один час распада выделяют около ста сорока ккал. В том же году Рамзаем и Содди было установлено, что запаянная ампула с радием содержит в себе и гелий в газообразном виде.
Труды таких ученых, как Резерфорд, Дорн, Дебьерн и Гизель, показывают нам, что в общий список продуктов распада U и Th включает в себя некоторые быстрораспадающиеся вещества – газы. Они обладают собственной радиоактивностью, а называют их ториевыми или радиевыми эманациями. Также это касается актиния. Они доказали, что при распаде радий создает гелий и радон. Закон радиоактивности о превращении элементов был впервые сформулирован Содди, Расселом и Фаянсом.
Виды излучения
Открытием явления, которое мы изучаем в этой статье, впервые занялся Беккерель. Именно он обнаружил явление распада. Потому единицы радиоактивности называют беккерелями (Бк). Однако, один из самых больших вкладов в развитие учения об р-ности сделал Резерфорд. Он сосредоточил собственные ресурсы внимания на анализе изучаемого распада и смог установить природу данных превращений, а также определить излучение, которое им сопутствует.
Основу его умозаключений составляет постулирование о наличии альфа-, гамма- и бета-излучения, которые испускаются естественными радиоактивными элементами, а измерение радиоактивности позволило вычленить следующие их виды:
- Β-излучение наделено сильными свойствами проникающей способности. Оно гораздо мощнее альфа-излучения, но точно так же поддается отклонению в магнитном и/или электрическом поле в сторону, противоположную большему расстоянию. Это служит объяснением и доказательством того, что данные частицы – отрицательно заряженные е-. Сделать выводы о том, что излучаются именно электроны, Резерфорд смог на основе анализа соотношения массы к заряду.
- Α-излучение – волны лучей, которые в условиях атмосферного давления способны преодолеть только маленькие расстояния (обычно не более 7.5 сантиметра). Если поместить его в х вакуум, то можно будет наблюдать, как магнитное и электрическое поле воздействуют на альфа-излучение и приводят к его отклонению от исходной траектории. Анализируя направление и величину отклонения, а также учитывая соотношение между зарядом и массой (e/m), мы можем прийти к выводу, что данное излучение является потоком частиц с положительным зарядом. Соотношение параметров веса и заряда является идентичным значению дважды ионизированного гелиевого атома. На основе своих работ и с использованием спектроскопических исследований, Резерфорд установил, что альфа-излучение образуется ядрами гелия.
- γ-излучение – вид радиоактивности, который обладает самой большой проникающей способностью среди других видов излучения. Оно не поддается отклонению посредством влияния магнитного поля, а также не обладает зарядом. Это «жесткое» излучение, которое самым нежелательным образом способно воздействовать на живую материю.
Радиоактивное превращение
Еще одним моментом в становлении и конкретизации определения радиоактивности является открытие Резерфордом ядерных структур атомов. Что не менее важно, так это установление взаимосвязи между рядом свойств атома и структурой его ядра. Ведь именно «сердцевина» частицы определяет структуру оболочки электронов и все свойства химического характера. Именно это позволило в полной мере расшифровать принципы и механизм, посредством которых происходит радиоактивное превращение.
Первое успешное превращение ядра было совершено в 1919 году Эрнестом Резерфордом. Он использовал «бомбардировку» ядра атома N с применением альфа-частиц полония. Следствием этого стало испускание азотом протонов с последующим превращением в кислородные ядра – O17.
В 1934 году супруги Кюри получили радиоактивные изотопы фосфора посредством искусственной радиоактивности. Они воздействовали на алюминий альфа-частичками. Полученные ядра P30 имели некоторые отличия от естественных р-ных форм того же элемента. Например, в ходе распада испускались не электронные частички, а позитронные. Далее они трансформировались в стабильные кремниевые ядра (Si30). В 1934 было совершено открытие искусственной радиоактивности и явление позитронного распада.
Захват электрона
Одним из классов радиоактивности является электронный захват (К-захват). В нем электроны захватываются прямо с оболочек атомов. Как правило, К-оболочка испускает некоторое количество нейтронов, а далее преобразуется в новую «сердцевину» атома с таким же показателем массового числа (А). Однако номер атома (Z) становится меньше на 1, в сравнение с исходным ядром.
Процесс превращения ядра в ходе электронного захвата и позитронного распада является действием, аналогичным друг другу. Потому их можно увидеть одновременно в ходе наблюдения за набором атомов одного вида. Электронный захват всегда сопровождается выделением излучения в рентгеновском виде. Это объясняется переходом электрона от более удаленной ядерной орбитали к ближе лежащей. Данное явление, в свою очередь, объясняется тем, что электроны вырываются с орбит, которые расположены ближе к ядру, а их место стремятся заполнить частички с удаленных уровней.
Понятие изомерного перехода
Явление изомерного перехода основано на том, что испускание альфа- и/или бета-частичек приводит к возбуждению некоторых ядер, которые находятся в состоянии избыточных энергий. Испускаемые ресурсы «вытекают» в виде возбужденных гамма-квантов. Изменение состояния ядра в ходе р-ного распада приводит к образованию и выделению всех трех типов частиц.
Изучение изотопа стронция 90 позволило определить, что им испускаются только β-частички, а ядра, например, натрия 24, могут выделять также гамма-кванты. Преобладающее множество атомов пребывают в возбужденном состоянии крайне мало. Это значение столь краткосрочное (10-9) и малое, что его еще нельзя измерить. Соответственно, лишь небольшой процент ядер способен находиться в состоянии возбуждения сравнительно длительный период времени (вплоть до месяцев).
Ядра способные «жить» так долго, именуют изомерами. Сопутствующие переходы, которые наблюдаются при трансформации из одного состояния в другое и сопровождаются испусканием гамма-квантовых частичек, называют изомерными. Радиоактивность излучения в данном случае приобретает высокие и опасные для жизни значения. Ядра, которые испускают лишь бета- и/или альфа-частицы, именуют чистыми ядрами. Если в ядре наблюдается испускание гамма-квантов в ходе его распада, то его называют гамма-излучателем. Чистым излучателем последнего вида можно назвать только ядро, претерпевающее множество изомерных переходов, что возможно лишь при длительном существовании в возбужденном состоянии.
