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 солнце,  действовал на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Это наблюдение предшествовало опытам  Анри Беккереля, целью которых было установить,  не  сопровождается  ли люминесценция рентгеновским излучением. При испытании большого количества веществ Анри Беккерель  обнаружил,  что  некоторые  соли урана дают ожидаемый эффект – пластинки  чернеют.  Однако дополнительные опыты показали, что эффект не был связан  с  флуоресценцией, так как он наблюдался даже  в том случае, когда  соли урана не освещались вовсе. В дальнейшем было установлено,  что наблюдаемое излучение характерно для  всех  соединений  урана,  а наиболее эффективным был металлический уран. При этом  оказалось, что характер излучения (например, его интенсивность)  не  зависит от внешних условий и не меняется со временем. Так было  установлено, что наблюдаемый  эффект  является  внутренним  свойством атома урана. Свойство атомов (в то  время  еще  не  существовало представления об атомном ядре) испускать излучение Пьер и  Мария Кюри назвали радиоактивностью, они же вскоре открыли радиоактивность другого тяжелого элемента – тория.

   Радиоактивное излучение было проанализировано при  помощи  опытов по его отклонению в электрическом и магнитном полях и по поглощению в веществе. В 1900 г.  Беккерель  изучал  отклонение  -лучей в магнитном поле, в 1903 г. он и Эрнст Резерфорд  провели опыты по отклонению -лучей в магнитном поле.

   В 1898 г., проводя опыты по радиоактивности  тория,  Резерфорд поместил бумажный пакетик с окисью тория в трубку, через которую он пропускал воздух. Ему удалось показать, что воздух уносил  газообразное вещество, выделяемое торием. Это радиоактивное  вещество Резерфорд назвал эманацией. Затем были открыты  эманации  радия и актиния. Вопрос о природе эманации был довольно туманным до тех пор, пока Резерфорд и Фредерик Содди не доказали окончательно, что эманация – газ. В ноябре 1902 г. они получили  эманацию в жидком виде. Конденсация происходила при температуре минус 150 градусов.

    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  1913 г. Содди и независимо от него Казимиром Фаянсом, позволяют  определить на основе радиоактивного излучения место  радиоактивного продукта по отношению к исходному продукту в менделеевской таблице.

   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 1 мм. Этими частицами оказались электроны;

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 1940 г. в России Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком было открыто спонтанное деление ядер, когда тяжелое ядро разваливается на два осколка примерно равной массы с испусканием нейтронов и -квантов. Гораздо позднее было установлено, что, кроме -частиц, радиоактивные ядра могут испускать и другие тяжелые частицы: протоны (обнаружены в 1982 г. Г. Хофманом и др.), ядра 14С (открыты в 1984 г. Х .Роузом, Г. Джонсом; Д. В. Александровым и др.) и более тяжелые 24Ne и 28Mg. Относительная вероятность испускания этих частиц на много порядков меньше испускания -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, 12C, 16O энергия связи особенно велика. Это обстоятельство указывает на особую прочность системы четырех нуклонов – двух протонов и двух нейтронов, т. е. -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].

Далее
  • Полное содержание
  • Краткая теория
  • Выполнение работы
  • Контрольные вопросы
  • Библиографический список