Радиоактивные излучения

По мере накопления сведений о химических превращениях в науке XVII—XIX вв. зрело представление об атомах («неделимых») как частицах, способных вступать в те или иные соединения и восстанавливать свою индивидуальность при разрушении образовавшегося соединения.

Но в конце XIX в. выяснилось, что атомы урана, замыкающего периодическую систему Менделеева, способны самопроизвольно превращаться в атомы других веществ. Эти превращения сопровождаются излучением. Кроме того (и это казалось наиболее удивительным), происходит непрерывное выделение энергии — колбочка с радиоактивным веществом длительно остается более теплой, чем окружающий ее термостат.

Работами Анри Беккереля (1852—1908), Пьера Кюри (1859—1906) и Марии Склодовской-Кюри (1867—1934), Э. Резерфорда и других было установлено, что эти превращения, названные естественной радиоактивностью, практически не зависят от внешних условий, а также от того, свободны ли превращающиеся атомы или входят в состав каких-либо молекул. Как мы теперь знаем, это признак ядерного характера процессов (на электронную оболочку атомов влиять сравнительно легко).

Физические методы исследования радиоактивности на первых порах были весьма примитивны, но тем не менее позволили получить фундаментальные результаты. Регистрация излучений производилась по их действию на фотографическую пластинку. Пропуская излучение через сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны направлению распространения излучения, удалось установить существование трех, видов излучений: положительно заряженных частиц, отрицательно заряженных частиц и электромагнитных волн.

1. Положительно заряженные частицы получили название альфа-частиц. Резерфорд поместил соль урана, излучающую α-частицы, в запаянную пробирку, разделенную на две части очень тонкой перегородкой, более или менее прозрачной для α -частиц. В пространстве за перегородкой имелось два электрода; на них можно было подать высокое напряжение и вызвать газовый разряд. Изучая спектр этого разряда, Резерфорд отождествил его со спектром незадолго до того открытого гелия. Позже, когда были созданы масс-спектрометры, позволяющие определить скорость заряженной частицы и отношение ее заряда к массе, было найдено, что α-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Еще позже, когда было выяснено, что в электронной оболочке гелия находится всего два электрона, заключили, что α-частицы есть ядра гелия.

Вылетающие из радиоактивных ядер α-частицы имеют скорости, достигающие десятых долей скорости света, что соответствует кинетической энергии порядка нескольких (а иногда десятков) электронвольт.

Атомы данного сорта излучают α-частицы разных энергий с прерывным спектром скоростей. С современной точки зрения это свидетельствует о существовании у ядер дискретных энергетических состояний, причем разность энергий двух состояний достигает 1 МэВ; это в миллион раз больше, чем разность энергий устойчивых состояний электронной оболочки атомов.

Попадая на флюоресцирующий экран, α-частица дает на нем кратковременную вспышку, воспринимаемую тренированным глазом. Это позволило Резерфорду провести тщательное исследование рассеяния α-частиц тонкими слоями различных веществ. Это классическое исследование было описано.

Отметим, что при a-излучении химические свойства атома изменяются (см. ниже).

2. Отрицательные частицы, вылетающие при радиоактивном превращении (распаде), названном β-распадом, оказались электронами. Скорости их различны и принимают практически непрерывный ряд значений, четко ограниченный некоторой наибольшей скоростью, характерной для данного атома. По модулю скорости электронов близки к скорости света. Причины разброса скоростей выяснились гораздо позже (см. § 16.5).

В настоящее время мы знаем, что электронов в ядре нет и не может быть. Первоначальное, вполне естественное предположение, что они в ядре имеются, пришлось отвергнуть. Дело в том, что когда был открыт спин микрочастиц (это произошло в начале тридцатых годов) и рассчитаны спины ядер, то результаты расчетов (исходивших из предположения, что электроны находятся в ядрах) и измерений противоречили друг другу. После открытия соотношения неопределенностей стало ясно, что электроны не могут входить в состав ядра. Действительно, так как неопределенность координаты ядерного электрона равна диаметру ядра, т. е.

Δx≈10-14 м,

то неопределенность его импульса должна получиться равной:

Δpx>>h/Δx=6 x 10-20 H x c.

Конечно, сам импульс не-меньше этой неопределенности. Тогда энергия электрона должна быть не меньше, чем

а действительная энергия β-электронов не превышает нескольких мегаэлектронвольт, явно не соответствуя сделанной оценке. Таким образом, электроны рождаются в момент β-распада атома (см. § 15.5). Наконец, при β-распаде изменяются химические свойства атома.

3. Третий тип излучения, не отклоняющегося в магнитном поле, был назван гамма-излучением; он представляет очень жесткие рентгеновские лучи. Они возникают вслед за α- или β-превращением, причем ядро избавляется от избыточной энергии и приходит в устойчивое энергетическое состояние. Химических изменений в атоме при этом не происходит.

Спектр γ-излучения прерывен; ему отвечают фотоны с энергией до 20 МэВ, т. е. имеющие частоты до 5 x 1021 Гц.