Радиоактивный распад атомов — часть 2

Радиоактивный распад атомов — часть 2

Электроны в нейтральных атомах различных элемен­тов группируются так, что заполнение слоев электронами происходит последовательно от ближайшего к ядру слоя к последующим слоям, все более и более удаленным от ядра. Такое размещение электронов, как мы увидим да­лее, соответствует их наиболее крепкой связи с ядром. Например, единственный электрон в атоме водорода (Z = 1) помещается в слое, ближайшем к ядру. У гелия (Z = 2) в электронной оболочке имеется 2 электрона, ко­торые находятся в первом слое. У последующих элементов увеличение электронов происходит путем постепенного за­полнения следующих слоев. Так, 2 электрона у атома ли­тия находятся в первом слое, а 3-й во втором.

Электроны внешнего слоя слабее веет связаны с яд­ром атома. Их называют валентными электронами. Эти электроны принимают участие в химических реакциях, связанных с образованием молекул. Заметим, что при хи­мических реакциях происходит только перегруппировка электронов в атомах, сами же ядра атомов не подвер­гаются каким-либо изменениям.

Размеры ядер атомов элементов несколько различны; в среднем их диаметр имеет величину порядка 1СГ13 см, то есть примерно в 100 ООО раз меньше диаметра атома. Масса электронов оболочки атома мала по сравнению с массой ядра. Например, масса 92 электронов урана (Z = 92) меньше массы его ядра в 4550 раз. Таким обра­зом, масса атома фактически полностью сосредоточена в его ядре, и поэтому пространство’, приходящееся на каждый атом, почти совершенно не заполнено веществом.

Например, сумма объема ядер атомов и объема элек­тронов, содержащихся в 1 м3 платины (такой объем пла­тины весит приблизительно 21 тонну), составляет всего 1 мм3. Остальная часть объема есть промежутки между ядрами и электронами.

Однако необходимо иметь в виду, что промежутки ме­жду ядрами и электронами не являются «пустыми», они заполнены электромагнитным полем, которое создается вокруг атомного ядра и вокруг каждого электрона, так как ядра и электроны являются заряженными частицами.

Советским физиком Д. Д. Иваненко впервые было вы­сказано предположение, что ядро атома имеет сложное строение и в состав его входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны.

Протон представляет собой положительно заряжен­ную частицу, нейтрон — частицу, не имеющую заряда. Заряд протона по величине равен заряду электрона. Массы нейтрона и протона приблизительно равны и при­мерно в 1800 раз больше, чем масса электрона.

Заряд ядра равен сумме зарядов протонов, так как в ядре только они являются заряженными частицами. От­сюда следует, что число протонов в ядре равно порядко­вому номеру Z.

Ядро атома водорода имеет простейшее строение, оно состоит из одного протона, поэтому атом водорода зани­мает первое место в таблице Менделеева. Вокруг ядра этого атома вращается один электрон.

Второе место в таблице занимает элемент гелий. Ядро атома гелия имеет положительный заряд, равный двум единицам, то есть в состав этого ядра входят два протона (Z = 2). Кроме того, в ядро гелия входят два нейтрона. В электронной оболочке атома гелия находятся два электрона.

Девяносто второе место в таблице Менделеева зани­мает элемент уран. В состав ядра атома урана входят 92 протона, и соответственно этому в электронной обо­лочке имеются 92 электрона.

Кроме величины заряда ядра, важнейшей характери­стикой атома является его масса. Истинная масса атомов в граммах выражается крайне малыми числами, поэтому для удобства пользуются относительным атомным весом (массой), за единицу которого’ принята ‘Vie часть веса атома кислорода. Атомная единица массы *, выраженная в граммах, равна 1,77 • 10~24. Например, масса атома во­дорода в этих единицах равна 1,008, масса атома гелия — 4,003 и т. д.

Масса атома, округленная до целых чисел, называется массовым числом — А. Массовое число водорода А = 1, гелия А = 4 и т. д. Массовое число равно числу протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, поэтому число ней­тронов в ядре равно N = А — Z.

■Существует много атомов, ядра которых содержат равное число протонов, но разное число’ нейтронов. Мае- совые числа у этих атомов различны, но их химические свойства одинаковы, так как они имеют один и тот же за­ряд ядра и, следовательно, занимают одно и то же место в таблице Менделеева. Такие атомы получили название изотопов. Само слово> «изотоп» происходит от греческого слова «изос» ■— равный и «топос» — место.

Все химические элементы имеют по нескольку изото­пов. Например, элемент водород имеет три изотопа: лег­кий водород — протий (А = 1), тяжелый водород — дей­терий (А = 2) и сверхтяжелый водород — тритий (А = 3). В состав ядер этих трех изотопов входит по одному про­тону, число же нейтронов соответственно равно 0, 1, 2. Уран имеет 11 изотопов, кислород — 6 изотопов и т. д.

Для обозначения изотопа в дальнейшем наряду с на­званием элемента или его химическим символом будет указываться также его массовое число. Например, запись натрий 24 (Na24) означает изотоп элемента натрия с мас­совым числом А = 24; уран 235 (U235) — изотоп элемента урана с массовым числом А = 235 и т. д.

Опыт показывает, что ядра атомов исключительно устойчивы ко всяким внешним воздействиям. Они могут сохранять свои свойства даже при звездных температурах (десятки миллионов градусов) и звездных давлениях (миллиарды атмосфер). Своей устойчивости ядро обязано силам притяжения, действующим между элементарными частицами, входящими в его состав. Эти силы получили название ядерных. Наряду с ядерными силами в ядре между протонами действуют кулоновские силы отталки­вания. Если предположить, что ядерные силы отсутст­вуют, то ядро должно мгновенно разрушиться, так как все протоны под действием кулоновских сил отталкивания разлетятся в разные стороны.

Природа ядерных сил в настоящее время окончательно не выяснена. Однако об этих силах можно сказать сле­дующее. Ядерные силы действуют между всеми части­цами, входящими в состав ядер. Силы эти короткодей­ствующие, они играют существенную роль только при рас­стояниях порядка 1СР12—10~13 ем, то есть проявляют себя, когда частица приходит почти в непосредственное сопри­косновение с атомным ядром. Наконец, ядерные силы на расстояниях порядка 10-13 см отличаются от кулоновских сил своей огромной величиной и легко нейтрализуют их отталкивающее действие.

Природа радиоактивности. В 1896 году французский физик Беккерель установил, что химические соединения урана испускают какие-то невидимые лучи. Под действием этих лучей воздух становился проводником электриче­ского тока, происходило почернение фотопластинки и све­чение некоторых веществ. Изучением природы обнару­женных излучений занялись талантливые физики Пьер Кюри и Мария Кюри-Складовская. Два года спустя ими был открыт новый элемент, создававший болеее сильное излучение, чем соединения урана. Этому элементу было дано наименование радий, что означает «лучистый». С тех пор способность некоторых веществ испускать невидимые лучи подобно радию получила название «радиоактив­ность».

В настоящее время свойства радия изучены хорошо. Радий — металл серебристого цвета, по химическим свой­ствам ‘близкий к барию. Встречается радий в очень мно­гих минералах, но в ничтожных количествах. Обычно он добывается из урановой руды, которая наиболее богата им (в 1 тонне этой рудьг содержится в среднем около 0,2 г радия). Как правило, радий получается в виде хло­ристой RaCl2 и бромистой RaBr2 солей. Радий весьма дорогое вещество, его мировая добыча даже в настоящее время не превышает 100 г ежегодно.

Исследование радиоактивного излучения препаратов радия и других веществ показало-, что в его состав входит три вида различных по своей природе излучений, которые были названы альфа |(а)-, бета ({$)- и гамма (у)-лучами. Альфа-лучи оказались потоком заряженных частиц, име­ющих атомный вес, равный 4, и положительный заряд, равный двум элементарным зарядам. Иными словами, альфа-частицы являются ядрами атомов изотопа ге­лия Не4. Скорость альфа-частиц, испускаемых препаратом радия, достигает 10 ООО км/сек.

Изучение бета-лучей показало, что они являются пото­ком отрицательно заряженных частиц. Бета-частицы имеют элементарный электрический заряд и массу, рав­ную массе электрона, и являются просто электронами, движущимися со скоростями, достигающими огромных значений порядка 270 000 км/сек.

Гамма-лучи по своей природе оказались подобными рентгеновским лучам и представляют собой невидимое электромагнитное излучение. На рис. 1 изображена шкала электро¬магнитных излучений, обнаруженных человеком в природе. К таким излу¬чениям относятся радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, гамма-лучи. Часто элек¬тромагнитные излучения объединяют под общим названием — свет. Скорость распространения для всех электромагнитных излучений одинакова и в пустоте составляет 300 ООО км/сек. Различие в свойствах излучений (в частности, для ви-димого света — в цвете) определяется различием длины волны. Из рис. 1 видно, что гамма-лучи имеют длину волны приблизительно от 3- КГ9 см до сколь угодно малых и являются наиболее коротковолновым электромагнитным излучением.
Современные достижения физики показывают, что электромагнитные излучения испускаются источниками в виде отдельных порций — фотонов (квантов). Квант — материальная частица, обладающая энергией и массой. Величина энергии кванта за¬висит от длины волны электромагнитного излучения. Эксперименталь¬но и теоретически установлено, что энергия кванта пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения. Величина энергии кванта и длина волны излучения связаны однозначной зависимостью, поэтому электромагнитное излучение можно характеризовать или длиной волны, или энергией кванта. Гамма-излучение обычно принято характеризовать величиной энергии кванта.
Энергию радиоактивных излучений измеряют в специальных единицах. За единицу энер­гии и атомной физике принят электронвольт (эв). Элект- тронвольт — это такая энергия, которую приобретает электрон, проходя в электрическом поле разность потен­циалов, равную одному вольту. Производной единицей является мегаэлектронвольт (обозначается Мэв), рав­ный одному миллиону электронвольт.

В мире окружающих нас больших тел электронвольт очень небольшая энергия; например, для того чтобы на­греть 1 г воды всего лишь на одну тысячную градуса, не­обходимо затратить тепловую энергию, равную 26 милли­ардам мегаэлектронвольт! Однако в мире атома электрон- вольт— значительная единица энергии. При нормальных условиях атомы и молекулы различных тел обладают тепловой энергией, измеряемой сотыми долями электрон- вольта. Например, если бы каждая молекула воды при­обрела тепловую энергию, равную 1 эв, то температура воды поднялась бы до 1,3 тысячи градусов! Энергия кван­тов видимого солнечного света — световых фотонов со­ставляет всего лишь несколько электронвольт, бета-, альфа-частицы и гамма-кванты могут иметь энергию, рав­ную нескольким миллионам электронвольт. Поэтому ра­диоактивные излучения в отличие от световых лучей являются излучениями больших энергий. Энергию радио­активных излучений обычно принято измерять в мега­электронвольтах.

В результате многочисленных научных исследований было убедительно показано, что радиоактивные излучения имеют ядерное происхождение. Они испускаются неустой­чивыми ядрами в момент самопроизвольного превраще­ния последних в ядра атомов других элементов. Поэтому изотопы элементов, ядра которых претерпевают само­произвольный распад, получили название ра­диоактивных. В частности, было установлено, что элемент радий является продуктом ряда последовательных ра­диоактивных превращений, началом которого является изотоп U238. Было выяснено также, что продукты распада радия являются радиоактивными и сами претерпевают ряд последовательных превращений, прежде чем превра­тятся в стабильные изотопы.

Радиоактивные изотопы, которые могут быть обнару­жены в природных условиях, получили название есте­ственных. Большая часть естественных радиоактивных изотопов может быть объединена в четыре группы: семей­ство урана («родоначальник» U238), семейство тория («родоначальник» Th232), семейство нептуния («родона­чальник» U233) и семейство актиния («родоначальник» U235). Конечными продуктами этих семейств являются стабильные изотопы свинца: РЬ206, РЬ208, РЬ209 и РЬ207 соответственно. Кроме того, известно несколько естествен­ных радиоактивных изотопов, це входящих в эти семей­ства (К40, ,Rb87 и др.).

Всего в настоящее время известно около 1000 радио­активных изотопов, причем преобладающая часть из них была получена искусственным путем.

Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 г. Ирен Кюри и Фредериком Жолио-Кюри. Они установили, что в результате бомбардировки некоторых атомных ядер ядрами гелия (а-частицами) возникают радиоактивные изотопы таких химических элементов, ко­торые в обычных условиях устойчивы и радиоактив­ностью не обладают. В настоящее время лабораторным путем приготовляются радиоактивные изотопы всех без исключения известных химических элементов, а также элементы, не найденные в природе и занимающие 93—102 места в таблице Менделеева. Искусственные ра­диоактивные изотопы в лабораторных условиях полу­чаются путем бомбардировки ядер атомов стабильных изотопов нейтронами, протонами, дейтеронами (ядра тя­желого водорода) и другими частицами. Для разгона протонов, ядер гелия и других заряженных частиц ис­пользуются специальные установки (циклотроны, бета­троны, синхрофазотроны и др.)* В очень больших количе­ствах искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены в ядерных реакторах, где они возникают в ре­зультате деления тяжелых ядер (урана, плутония) или при облучении стабильных изотопов потоком нейтронов. Мощным источником искусственных радиоактивных ве­ществ является атомный взрыв.