История открытия радиоактивности
Открытие -радиоактивности
вещества явилось началом современной ядерной физики. Известны тридцать
-активных
ядер в цепочках последовательных распадов ядер, принадлежащих к урановому, актиниевому и ториевому рядам или семействам.
Напомним вкратце историю открытия естественной радиоактивности. В 1895 году немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи, которые впоследствии были названы
его именем.
В первых
опытах Рентгена испускание рентгеновских лучей
сопровождалось флуоресценцией стеклянных стенок рентгеновской трубки. Были проведены многочисленные опыты и высказано
предположение, что флуоресценция всегда
сопровождается испусканием рентгеновских лучей.
В опытах использовались фотопластинки, завернутые в черную бумагу, на которые сверху
накладывались различные вещества,
флуоресцирующие под действием яркого света. Если флуоресценция сопровождалась
испусканием рентгеновских лучей, то пластинка чернела. Описывая эту тему в своей
книге, Джозеф Д. Томсон в главе «Лучи Беккереля» на
первое место ставит наблюдение Генри, сделанное в начале
1896 г. над
фосфоресцирующим веществом сернистого цинка. Генри выяснил, что цинк, выставленный
на
Радиоактивное излучение было проанализировано при помощи
опытов по его отклонению в электрическом и магнитном полях и по
поглощению в веществе. В -лучей
в магнитном поле, в
-лучей
в магнитном поле.
В
Как было сказано выше, радиоактивные
элементы, встречающиеся в природе, расположены в виде трех
последовательных цепочек, семейств.
Первое семейство называется семейством урана.
Оно начинается с -радиоактивного
изотопа урана
(
), который с периодом
полураспада
лет превращается в
торий
. Торий в свою очередь является
-радиоактивным
изотопом и с
периодом 24 дня превращается в
-радиоактивный
протактиний
и т. д.
Семейство урана содержит радий
и радиоактивный газ радон
и заканчивается стабильным изотопом свинца
.
Второе семейство – семейство актиноурана –
начинается с другого -радиоактивного
изотопа урана
(
), который с периодом
полураспада
лет превращается в торий
, испускающий
-частицы и превращающийся в протактиний
. Этот изотоп, в отличие от
, является
-радиоактивным
и превращается в актиний
и т. д. Семейство
актиноурана, как и семейство урана, содержит
радиоактивный газ –эманацию (изотоп
– актинон An) и
заканчивается вторым стабильным изотопом свинца
.
Третье семейство –
семейство тория, начинается с -радиоактивного
изотопа тория
(
), имеющего период
полураспада
лет и превращается в
-радиоактивный
изотоп радия
и т. д. Заканчивается
это семейство третьим стабильным изотопом свинца
, что указывает на особую
устойчивость ядер свинца, содержащих магическое число протонов – 82.
Из
приведенных примеров видно, что в пределах
семейства массовые числа или не
изменяются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом в первом случае
заряд следующего элемента
повышается на единицу, а во втором – понижается на две единицы. Эта закономерность, названная правилами
смещения, объясняется тем, что
радиоактивное превращение сопровождается
либо испусканием -частицы
(электрона), в результате чего заряд ядра
повышается на единицу, а массовое число остается неизменным,
либо испусканием
-частицы,
уносящей четыре массовые
единицы и двойной заряд. Эти
правила, которые были
сформулированы в
Рис.
1. Радиоактивное семейство урана (A = 4n + 2). Если доля
распада по данному каналу меньше одного 1 %, то он обозначен штриховой линией.
Если доля -распада больше 1 % и меньше 99 %, то она указана над
соответствующей линией
Рис.
2. Радиоактивное семейство
актиноурана (A = 4n + 3). Если доля распада по данному каналу
меньше одного 1 %, то он обозначен штриховой линией. Если доля -распада больше 1 % и меньше 99 %, то она указана над
соответствующей линией
Рис. 3. Радиоактивное
семейство тория (A = 4n). Если доля распада по данному каналу
меньше одного 1 %, то он обозначен штриховой линией. Если доля -распада
больше 1 % и меньше 99 %, то она указана над соответствующей линией
Рис.
4. Радиоактивное семейство (A =
4n+1). Если доля распада по данному каналу меньше одного 1 %, то он
обозначен штриховой линией. Если доля -распада больше 1 % и меньше 99 %, то она указана над
соответствующей линией
Из
правил смещения вытекает, что массовые числа членов всех трех семейств
описываются следующей формулой
, (1)
где
– целое число,
= 2 для семейства
урана (
> 50),
= 3 для семейства актиноурана (
> 50),
= 0 для
семейства тория (
> 51). Обращает на себя внимание отсутствие в природе четвертого семейства с
= 1, существование
которого в принципе можно было ожидать и
которое было открыто после того, как
научились искусственно получать изотопы
различных элементов.
В
результате многочисленных опытов было установлено, что радиоактивные вещества
испускают три вида лучей:
1) -лучи – тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/сек и поглощаемые слоем
алюминия толщиной в несколько микрон. Впоследствии методом
спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра
гелия (
4He);
2) -лучи – легкие, отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости
света и поглощаемые слоем алюминия в
среднем около
3) -лучи – сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в
электрическом, ни в магнитном полях.
-лучи – это жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще
более короткую длину волны по сравнению
с рентгеновскими лучами (10-10м и менее).
В -квантов. Гораздо позднее было установлено, что, кроме
-частиц, радиоактивные ядра могут испускать и другие тяжелые
частицы: протоны (обнаружены в
-частиц (10-10–10-11),
поэтому они были открыты позднее.
Как известно, у четно-четных ядер (ядер с четным числом протонов и
четным числом нейтронов) 4He, -частицы. Поскольку она состоит из двух протонов и двух
нейтронов, с суммарными спинами, равными нулю, то ее внутренняя симметрия совпадает с симметрией куперовских
пар протонов и нейтронов в атомном ядре. Оказывается, что вероятность
формирования
-частицы в тяжелом ядре может быть довольно велика (10-2)
[2]. Находясь в ядре,
-частица имеет значительную вероятность туннелировать через
потенциальный барьер,
что и объясняет относительно высокую распространенность
-радиоактивных ядер [1].