Радиоактивность

РадиоактивностьРАДИОАКТИВНОСТЬ, свойство некоторых химических элементов к самопроизвольному распаду на другие элементы. Этот распад сопровождается различными корпускулярными и световыми радиациями. Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. Г. Беккерелем. Он обнаружил, что соли U выделяют излучения, действующие на фотографическую пластинку и сообщающие воздуху электропроводность. Дальнейшие исследования показали, что испускание «лучей Беккереля» есть атомное свойство U, не зависящее от того, в каком химическом соединении он находится. Систематические исследования всех известных элементов обнаружили, что кроме U значительной радиоактивностью обладает только Th (Г. Шмит и М. Кюри, 1898 г.). Впоследствии была открыта еще слабая радиоактивность К и Rb. При изучении природных соединений U оказалось, что радиоактивность их значительно больше, чем следует ожидать по содержанию в них U. Высказанная М. Кюри гипотеза, что эта аномалия связана с присутствием в урановых минералах неизвестных сильно радиоактивных элементов, подтвердилась. Путем длительной и кропотливой работы П. и М. Кюри удалось выделить из урановой смоляной руды Иоахимстальского месторождения (Чехо-Словакия) новые элементы Ро (1898 г.) и Ra (1898 г.), радиоактивность которых в большое число раз превосходит радиоактивность U. Этим было положено начало открытию ряда новых радиоактивных элементов или радиоэлементов, число которых доходит до 40.

Проницаемость лучейРадиоактивные излучения. По своей природе излучения радиоактивных элементов не однородны. В 1902 г. Е. Резерфорд предложил названия α-(альфа), β-(бета) и γ-(гамма) лучей для трех видов радиоактивных излучений, обладающих следующими свойствами: α-лучи образуются положительно заряженными быстро движущимися материальными частичками атомных размеров и слабо отклоняются в электрическом и магнитном поле в сторону, соответствующую отклонению каналовых лучей; они очень сильно поглощаются материей; β-лучи - частички отрицательного электричества (электроны); они значительно сильнее отклоняются магнитным полем и вполне аналогичны катодным лучам. Проницаемость их значительно больше, чем у α-лучей; γ-лучи не испытывают отклонения в магнитном поле и не несут заряда; они обладают самой большой проницаемостью (фиг. 1). α-частицы несут двойной элементарный положительный заряд, равный 9,55·10-10 CGSE. Пo своей природе они тождественны с ядром атома гелия; α-частички вылетают из атома с определенной начальной скоростью, характерной для каждого α-излучающего радиоэлемента; эта начальная скорость лежит в пределах 1,4·109—2,06·109 см/сек. В воздухе α-частицы благодаря своей большой массе движутся почти прямолинейно, растрачивая постепенно свою кинетическую энергию при столкновениях с молекулами газа и вызывая сильную ионизацию. α-частицы обладают определенной дальностью полета, пройдя которую они теряют свой заряд и способность вызывать характерные действия. Величина этой дальности полета или «пробега» α-частиц зависит от начальной скорости частицы и от поглощающего вещества. Величина пробега α-частицы характерна для каждого радиоэлемента и обнимает периоды 2,67—8,62 см в воздухе при 0°С и 760 мм. В твердых телах α-частицы задерживаются толщиной слоя порядка 0,1 мм. Свойство водяного пара конденсироваться при определенных условиях на ионах позволяет наблюдать и фотографировать пути α-частиц (фиг. 2). Фотография пути α-частицβ-лучи большинства радиоактивных веществ образуют несколько групп с различными начальными скоростями, распределение которых изучается по отклонению β-частиц в магнитном поле (спектр β-лучей). Начальные скорости β-частиц заключаются в пределах 8,7·109—2,947·1010 см/сек, т. е. до 0,988 скорости света. При прохождении через материю β-лучи рассеиваются значительно сильнее, чем α-лучи, мало изменяя свою скорость. Поглощение их происходит по закону, близкому к простому экспоненциальному Id = I0e-kd, где Id - интенсивность излучения, прошедшего толщину d, I0 - начальная интенсивность, k - коэффициент поглощения. Характерной величиной может служить толщина слоя какого-либо вещества, например, алюминия, поглощающего β-лучи наполовину. Для различных β-лучей величина этого слоя 0,001—0,05 см алюминия. Наиболее жесткие β-лучи RaC поглощаются полностью двумя мм свинца, γ-лучи по своей природе совершенно аналогичны рентгеновым лучам и характеризуются длиной волны 10-9—10-11 см. Поглощение γ-лучей сопровождается рассеянием и появлением вторичных β- и γ-лучей. Приближенно поглощение выражается простым показательным законом I = I0e-μх, причем в первом приближении удовлетворяется соотношение μ/ϱ = Const, где ϱ - плотность поглощающего вещества. Величина μ для γ-лучей различных радиоэлементов колеблется от 1000 до 0,12, чему соответствует толщина слоя Рb, поглощающего лучи наполовину, 10-4—5,5 см.

Теория радиоактивного распада. Для объяснения радиоактивных явлений Резерфорд и Содди предложили в 1902 г. теорию атомного распада, полностью подтвержденную дальнейшими экспериментами. Атомы радиоактивных элементов являются неустойчивыми образованиями и подвершены самопроизвольному распаду, подчиненному закону случайности. При этом освобождается внутриатомная энергия в виде излучений, атом же претерпевает превращение, переходя в другой химический элемент с совершенно иными свойствами, например, металл Ra превращается в RaEm - инертный газ. Основной закон радиоактивного распада формулируется следующим образом: количество вещества ΔN, распадающегося в элемент времени Δt, пропорционально наличному его количеству N и промежутку времени Δt, т. е. ΔN=-λNΔt, или Nt=N0et где N0 - начальное количество, Nt - количество для момента t. Коэффициент пропорциональности λ носит название радиоактивной постоянной, или константы распада радиоэлемента. Более наглядно каждый радиоэлемент характеризуется периодом полураспада, т. е. промежутком времени, в течение которого начальное количество его уменьшается наполовину, или же средней продолжительностью жизни τ. Период полураспада Т, средняя продолжительность жизни τ и радиоактивная постоянная λ связаны между собой следующим образом: Т= 0,6931τ = 0,6931 τ-1. Для различных радиоэлементов λ = 1,3·10-13 - 1011 сек., соответственно Т=5,2·1017 сек. (1,65·1010 лет)-10-11 сек. Между λ и величиной пробега α-лучей R существует найденное эмпирически Гейгером и Нуталлом соотношение Ig λ = А + В lg R, где А и В - константы. Графическое изображение закона Гейгера и Нуталла дает для трех радиоактивных семейств U - Ra, Th и Ас три параллельные прямые. Этим законом приходится пользоваться, между прочим, для определения радиоактивных констант быстро распадающихся веществ. Явления радиоактивного распада, сопровождаемого вылетом из ядра атома α- и β-частиц, дали первое доказательство сложного строения атомного ядра, заключающего в качестве структурных элементов электроны, протоны и ядра Не. Закономерности, наблюдаемые в распределении длин волн γ-лучей и скоростей β- и α-частиц, указывают на существование в ядре устойчивых состояний, соответствующих определенным уровням энергии. γ-излучения по-видимому связаны с внутриядерными переходами α-частиц с одного уровня энергии на другой, причем длина волны γ-луча определяется из квантовых соотношений. При радиоактивном превращении, сопровождаемом вылетом α-частицы из ядра, она должна пройти через уровень потенциальной энергии, значительно превышающий собственную энергию частички, которой она обладает в ядре. С точки зрения классической теории невозможно объяснить вылет α-частички из ядра через этот «потенциальный барьер». Теории радиоактивного распада, основанные на принципах волновой механики, описывают движение α-частиц при помощи волновой функции, причем α-излучение является результатом постепенного проникновения волновой функции через вышеупомянутый потенциальный барьер. При этом можно найти теоретическое выражение для связи скорости α-частиц с константой распада атома, удовлетворяющее опытным данным. Принимая, что α-частички в ядре атома обладают той же величиной энергии, с какой они покидают ядро при распаде, мы получаем исходную величину для оценки абсолютных значений уровней энергии в ядре атома. Эти величины порядка 106 V (в обозначениях атомной физики). β-излучения радиоактивных элементов образуют, с одной стороны, группы электронов определенных скоростей, по всей вероятности появляющихся в результате фотоэффекта, вызываемого γ-излучением ядра в электронных оболочках атома, с другой стороны, β-частички, вылетающие из ядра, обладают скоростями самых различных значений (непрерывный магнитный спектр γ-лучей). Часто за α-превращением в ряду распада следуют два β-превращения, что ложно истолковать нарушением устойчивости электронных уровней в ядре при уменьшении числа α-частиц. Энергетические взаимоотношения в ядре, связанные с β-излучением, представляются еще не вполне ясными.

При распаде радиоактивного атома получается б. ч. также радиоактивный элемент. Т.о. образуются ряды распада, или радиоактивные семейства, последовательно превращающихся радиоэлементов. Закон радиоактивного распада дает возможность рассчитать количество любого из членов ряда для каждого момента времени при заданных начальных условиях. На практике важнее всего следующие случаи. 1) Распад отдельного радиоэлемента, например RaEm; количество радиоэлемента в любой момент выразится так: Nt=N0et начальное количество (при t=0). 2) Образование из радиоэлемента с весьма большой продолжительностью жизни (количество которого за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется, например, образование UX (период полураспада 24 дня) из U (период полураспада 109лет). В этом случае количество атомов образующегося элемента N2 для момента t выразится через число атомов материнского элемента N1 и соответствующие константы распада так:

radioaktivnost f1

3) Случай радиоактивного равновесия, когда сохраняется постоянное отношение чисел атомов последовательных элементов в ряду распада. В этом случае соблюдаются равенства: N1λ=N2λ2=…=Nkλk если рассматриваемый ряд содержит к элементов (фиг. 3, А - нарастание и В - распадение ТhХ). Превращение радиоэлементов всегда сопровождается α- или β-излучением. Неизвестно ни одного случая, когда радиоактивное превращение сопровождалось бы только одним γ-излучением.

Радиоактивный распад

Изучение радиоактивных превращений привело к открытию большого числа новых элементов. При попытках разместить радиоэлементы в периодической системе возникли затруднения, т. к. число свободных мест оказалось недостаточным. Эти затруднения удалось преодолеть в результате изучения химических особенностей радиоэлементов. Болтвуд, открывший в 1906 г. новый радиоактивный элемент ионий, показал, что его химические свойства совершенно совпадают со свойствами элемента тория. Далее подобная химическая идентичность была обнаружена у ряда радиоэлементов (Ra и MsTh, Pb, RaB, ТhВ, АсВ и др.), и в 1910 г. Содди высказал мысль, что эти элементы обладают принципиально одинаковыми свойствами, и их разделение методами химии невозможно. Группа таких неразличимых химически элементов называется по предложению Фаянса плеядой, а сами элементы по предложению Содди изотопами, т.к. они занимают одно и то же место в периодической системе. Тогда же Содди предположил, что и нерадиоактивные элементы могут являться смесью принципиально неразделимых элементов разного атомного веса, чем и объясняются дробные значения атомных весов большинства элементов. Эта идея Содди нашла себе блестящее подтверждение в работах Астона, открывшего методом положительных лучей изотопы обычных элементов. Понятие изотопии позволило разместить все радиоэлементы в периодической системе. Они обнимают 10 плеяд, расположенных в двух последних рядах периодической системы (фиг. 4).

Плеяды периодической системы

Характерными элементами, или доминантами, плеяды радиоактивных изотопов служат элементы с наибольшей продолжительностью жизни, или устойчивые элементы. При этом пять из них: Ra, Em, Ро, Ас и Ра являются новыми элементами, занявшими свободные места в периодической системе, остальные же попадают на места, занятые ранее известными радиоэлементами U и Тh и неактивными Рb, Tl, Bi. Наибольшая разница в атомных весах радиоактивных изотопов не превосходит 8 единиц. Т. о. радиоактивные превращения позволили глубже вникнуть в физический смысл периодического закона и понятия о химическом элементе. Оказалось, что место элемента в периодической системе определяется не атомным весом элемента, как это принималось ранее, а величиной положительного заряда ядра его атома. Все свойства изотопов, связанные с электронными оболочками атома, в пределах точности наших экспериментов практически одинаковы (атомный объем, температура перехода из одного состояния в другое, термическое изменение размеров, магнитная восприимчивость, спектры и т. п.). Они отличаются кроме радиоактивных свойств только теми особенностями, которые связаны с массой ядра, например, в тонкой структуре спектра и в ничтожных различиях в константах диффузии. На последнем обстоятельстве основаны попытки разделения изотопов, приведшие в результате кропотливой работы к частичному успеху.

При радиоактивном распаде происходит превращение элементов, подчиняющееся следующим правилам сдвига (К. Фаянс). 1) После излучения α-частички элемент смещается на два места влево в периодической системе. 2) При β-превращении элемент смещается на одно место вправо (направление стрелок на фиг. 4). Эти правила указывают, что радиоактивность есть свойство ядра атома, ибо вылет α-частички, несущей два элементарных положительных заряда, уменьшает на две единицы заряд ядра, что соответствует уменьшению атомного номера на две единицы. β-частичка уносит один отрицательный заряд, т. е. увеличивает положительный заряд ядра, а, следовательно, и его атомный номер на единицу. В результате радиоактивных превращений два различных элемента могут занять одно и то же место в периодической системе.

Радиоактивные семейства. Все известные нам радиоэлементы образуют три радиоактивных семейства, или ряда: семейство U—Ra, семейство Ас и семейство Th. Ряды U и Th самостоятельны, ряд же Ас по всем данным связан с рядом U—Ra. На фиг. 5 приведена схема радиоактивных семейств с их превращениями. Наибольший практический интерес представляют радиоэлементы Ra и MsTh, как обладающие весьма большой радиоактивностью и являющиеся источником сильно радиоактивных элементов малой продолжительности жизни (нaпpимер, RaEm, ThX и др.). Из других химических элементов только К и Rb обладают слабой радиоактивностью с испусканием β- и γ-лучей. Продукты их превращения неизвестны.

Радиоактивные семейства

Действия радиоактивных излучений. 1) Все радиоактивные излучения производят ионизацию газов. При этом сильнее всего действуют α-лучи, действие β- и γ-лучей значительно слабее. В меньшей степени ионизация наблюдается у жидких и твердых диэлектриков. 2) Энергия радиоактивных излучений переходит при поглощении их материй в тепло. При этом наибольший эффект дают также α-лучи, обладающие максимальной энергией. Теоретически количество выделяемого тепла можно подсчитать, зная энергию излучений и кинетическую энергию остатка распавшегося атома. Экспериментально тепловое действие особенно тщательно изучено для Ra; 1 г Ra выделяет в час 25 cal, а вместе с продуктами распада 170 cal. 3) Сильные радиоактивные препараты светятся сами и вызывают свечение ряда тел. Вспышки на экране сернистого цинка, вызываемые отдельными α-частицами (сцинтилляции), позволяют считать α-частицы, излучаемые радиоэлементами. 4) Многие вещества меняют свою окраску под действием радиоактивных излучений. 5) Радиоактивные лучи действуют на фотографическую пластинку. Прикладывая к фотографической пластинке плохо отшлифованную поверхность куска радиоактивной руды, можно получить радиографию распределения радиоактивных минералов по поверхности образца. 6) Под действием радиоактивных излучений происходят химические реакции, связанные главным образом с вызываемой ими ионизацией; некоторые действия β-лучей на коллоиды объясняются отрицательным зарядом самих β-частиц. 7) Действие радиоэлементов на живой организм сказывается в виде местных и общих явлений и сильно зависит от дозы. Действие радиоактивных излучений выражается в общем утомлении организма, изменении состава крови (уменьшение числа белых кровяных шариков и др.). При местном воздействии β-лучей больших количеств радиоэлементов может получиться ожог, трудно поддающийся излечению. Молодые клетки наиболее чувствительны к действию излучений. Введение внутрь организма больших количеств радиоэлементов влечет за собой смерть. Незначительные количества радиоэлементов оказывают благотворное действие на организм.

Практические приложения радиоактивности. 1) Свойство радиоэлементов ионизировать газы нашло свое применение в изготовлении радиоактивных коллекторов, служащих для измерения электрического поля, главным образом при исследованиях атмосферного электричества. Для этой цели употребляются обыкновенно α-излучатели Io или Во. Последний приходится периодически возобновлять, т. к. он распадается наполовину в 137 дней. 2) Радиоактивные Em м. б. использованы при определении газопроницаемости различных веществ. 3) При прохождении α-частиц через различные вещества наблюдается при определенных условиях появление Н-частичек (ядра водорода). Впервые явление это было обнаружено в 1919 г. Резерфордом в азоте и истолковано как результат разрушения ядра азота при столкновении с α-частичкой. Дальнейшие работы, главным образом сотрудников Резерфорда - Кирша и Петерсона, - показали, что большое число элементов разрушается под действием α-частиц. О других практических приложениях радиоактивности см. Радий.

Радиоактивные измерения. Для количественного измерения радиоактивных веществ употребляется почти исключительно метод основанный на ионизации. В случае очень сильных препаратов возможно пользоваться для измерения ионизационных токов чувствительным гальванометром. Для измерения же малых количеств радиоэлементов пользуются электроскопами и электрометрами. Важнейшие схемы применяемых приборов представлены на фиг. 6.

Радиоактивные измерения

1) Измерения по α-лучам. Исследуемое вещество радиоактивности помещается в тонко измельченном виде в плоской чашечке на дно «ионизационной камеры» электроскопа (фиг. 6а) или электрометра (фиг. 6б). Ионизационный ток измеряется по скорости спадания листка электроскопа, отсчитываемой по окулярной шкале микроскопа. При этом необходимо учитывать собственное спадание листка под влиянием дефектов изоляции и ионизации воздуха внутри прибора, определяемое специальным наблюдением в отсутствии радиоактивного вещества. При измерении с электрометром пользуются или методом зарядки или же компенсационными методами. При измерениях по α-лучам берут обычно слой вещества толщиной порядка 1 мм. Такой слой будет насыщенным для α-излучения, т. е. α-лучи из нижних частей уже поглощаются в самом активном веществе и не выходят наружу. При этом измеряемая ионизация приблизительно пропорциональна концентрации радиоэлементов в препарате. Обычно измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное количество определяемого радиоэлемента, например, U в равновесии с продуктами распада. Или же результаты выражают в урановых единицах, причем под урановой единицей подразумевается одностороннее излучение 1 см2 насыщенного для α-лучей слоя окиси урана U3О8. В абсолютных единицах это соответствует току насыщения 1,73·10-3 CGSE. В случае бесконечно тонкого слоя (например, активный налет, получаемый в присутствии эманаций на твердых телах и состоящий из продуктов их распада) ионизация пропорциональна количеству радио-элемента на препарате. 2) Измерения по γ-лучам. Благодаря большой проницаемости γ-лучей возможно с их помощью измерить количество радио-элементов (обычно Ra, RaEm или MsTh) в герметически запаянных препаратах. Измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное количество Ra. При измерении малых количеств Ra порядка 10-5-10-7 г их помещают внутри прибора специального устройства. При измерении же больших количеств - от 10-4 г и выше - испытуемый препарат помещается на некотором расстоянии снаружи прибора. 3) Измерения малых количеств RaEm производятся по α-лучам в электрометре с ионизационной камерой, приспособленной для введения Еm внутрь ее. Обычно приходится измерять Еm из водного раствора, при этом Em перегоняют в ионизационную камеру с током воздуха посредством циркуляции (фиг. 7) или каким-либо иным способом.

Радиоактивные измерения

Далее измеряется ионизация, вызываемая α-лучами Em и продуктов ее воде источников. Этот же метод применяется при определении малых количеств Ra в растворе. Исследуемый раствор помещают в газопромывательную склянку L и освобождают от Em продуванием через него воздуха в течение 10—30 мин. Затем сосуд с раствором герметически закрывают и оставляют на несколько дней для накопления Em. Далее Em переводят в измерительный прибор J, где и определяют ее количество. Накопление эманации происходит по формуле Е=Е(1 е λt), где Е - количество Em, накопленной в течение времени t, Е - количество ее, находящееся в равновесии с радием в данном растворе. Численно Е равно стольким кюри эманации, сколько грамм Ra находится в растворе.

Эталоном служит раствор с известным содержанием Ra порядка 10-8—10-9 г. По Em возможно измерить 10-10 г даже 10-12 г Ra. 4) Измерение числа отдельных частиц производится или при помощи метода сцинтилляций или же путем соответствующего усиления ионизирующего действия отдельных частиц или импульсов (счетчик Гейгера). Возможно также применение фотографической пластинки с толстым слоем (метод Л. В. Мысовского).

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 18 - 1932 г.