Учебник. Радиоактивность

Открытие радиоактивности связывают с именем А. Беккереля, который в 1896 г. обнаружил самопроизвольное испускание ураном ранее неизвестного излучения. Термин радиоактивность (лат. radio – излучаю, activus – действенный) был предположен в 1898 г. М. Кюри. В последующие два года работами Э. Резерфорда было установлено, что это излучение состоит из трех видов – положительно заряженных α-лучей, отрицательно заряженных β-лучей и незаряженных γ-лучей, которые вскоре были идентифицированы соответственно как пучки ядер гелия ${}_2{}^4\text{He}$ (α-лучи), пучки электронов (β-лучи) и электромагнитное излучение (фотоны) с частотами, значительно превышающими частоты рентгеновского излучения (γ-лучи). Испускание α- и β-лучей сопровождается превращением химических элементов: ${}_{88}{}^{226}\text{R}\text{a}\to {}_{86}{}^{222}\text{R}\text{n}+{}_2{}^4\text{H}\text{e}\mathrm{, }{}_6{}^{14}\text{C}\to {}_7{}^{14}\text{N}+{}_{\mathrm{-}1}{}^0\text{e}\mathrm{.}$ На основании изучения этих типов радиоактивного превращения было сформулировано правило смещения (К. Фаянс, Ф. Содди, 1913 г.): α-распад сопровождается образованием изотопа элемента с массой на 4 единицы меньше, смещенного в периодической таблице на два номера к началу, а β-распад приводит к образованию изотопа элемента, смещенного на один номер к концу периодической системы (без изменения массового числа).

Кроме основного β-распада известны еще два его варианта – испускание позитрона $\left({}_1{}^0\text{e},{\text{β}}^{\mathrm{+}}\right)$ и электронный захват. Испускание позитрона сопровождается превращением протона в нейтрон, в результате чего атомный номер элемента уменьшается на единицу: ${}_1{}^1\text{p}\to {}_0{}^1\text{n}+{}_1{}^0\text{e}\mathrm{;}$ ${}_6{}^{11}\text{C}\to {}_5{}^{11}\text{B}+{}_1{}^0\text{e}\mathrm{.}$

Электронный захват обусловлен захватом электрона из электронной оболочки атома протоном: ${}_1{}^1\text{p}+{}_{\mathrm{-}1}{}^0\text{e}\to {}_0{}^1\text{n}$ В результате электронного захвата атомный номер элемента уменьшается на единицу: ${}_{37}{}^{81}\text{R}\text{b}+{}_{\mathrm{-}1}{}^0\text{e}\text{ (орбитальный электрон) }\to {}_{36}{}^{81}\text{K}\text{r}\mathrm{.}$

Кроме природных (естественных) радиоактивных изотопов $\mathrm{(}{}_{92}{}^{238}\text{U}\mathrm{, }$ ${}_{92}{}^{235}\text{U}\mathrm{, }$ ${}_{90}{}^{232}\text{T}\text{h}\mathrm{, }$ ${}_{19}{}^{40}\text{K}\mathrm{, }$ ${}_6{}^{14}\text{C}\mathrm{)}$, начиная с 1934 года получено более 1200 искусственных изотопов. Супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили первые искусственные изотопы ${}_{13}{}^{27}\text{A}\text{l}\mathrm{(}\text{α}\mathrm{, }n\mathrm{)}{}_{15}{}^{31}\text{P};$ ${}_5{}^{10}\text{B}\mathrm{(}\text{α}\mathrm{, }n\mathrm{)}{}_7{}^{13}\text{N}\mathrm{.}$

Устойчивость атомного ядра зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов, а также четности или нечетности их числа, при этом ядра с четными числами протонов и нейтронов, как правило, устойчивее ядер с нечетными числами нуклонов (табл. 11.1).

На рис. 11.1 приведен пояс устойчивости атомных ядер. Видно, что с возрастанием атомного номера отношение числа протонов к числу нейтронов для устойчивых ядер возрастает. Большинство радиоактивных изотопов расположено вне пояса устойчивости.

Зависимость числа нейтронов от числа протонов в ядрах устойчивых изотопов

Ядра с числом протонов 84 и более неустойчивы. Ядра с числом нуклонов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 более устойчивы, чем ядра элементов, расположенных рядом в периодической системе. Эти числа называют магическими.

Спонтанное деление – еще один тип радиоактивного распада. Оно представляет собой самопроизвольный распад тяжелых ядер с Z ≥ 92 на два (реже на три или четыре) осколочных ядра, соответствующих середине периодической системы. Поскольку отношение N/Z для изотопов тяжелых элементов больше, чем для устойчивых изотопов середины периодической системы, спонтанное деление сопровождается испусканием 2–4 нейтронов и последующими β-распадами осколочных ядер.

Радиоактивное превращение природных радиоактивных изотопов тяжелых элементов, начинающееся с одного родоначальника и заканчивающееся стабильным изотопом, объединены в так называемые радиоактивные ряды. Теоретически возможны четыре радиоактивных ядра с массовыми числами A = 4n, 4n + 1, 4n + 2 и 4n + 3, где n – целое число. В природе обнаружены три радиоактивных ряда: ряд урана-238 (A = 4n + 2; n = 51–59), завершающийся свинцом-206, ряд тория-232 (A = 4n, n = 52–58), завершающийся свинцом-208, ряд актиноурана (A = 4n + 3, n = 51–58), начинающийся с урана-235 и завершающийся свинцом-207. Эти ряды существуют потому, что их родоначальники имеют периоды полураспада T_1/2 (т. е. время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа), соизмеримые со временем существования Земли^*). Четвертый радиоактивный ряд (A = 4n + 1, n = 52–59) называют иногда рядом нептуния (T_1/2 = 2,2 млн. лет), завершается он висмутом-209.

^*) Время жизни Земли оценивается в 4,5 млрд лет.

Счетчик Гейгера

Выше упоминалось, что все элементы тяжелее ${}_{83}\mathrm{Bi}$ радиоактивны, все их изотопы претерпевают радиоактивный распад (Z = 84–109). Известны только два более легких полностью радиоактивных элемента, ${\mathrm{}}^{43}\mathrm{Tc}$ и ${\mathrm{}}^{61}\mathrm{Pm}$. В природной смеси изотопов следующих элементов содержатся радиоактивные изотопы: ${\mathrm{}}^{40}\mathrm{K}$, ${\mathrm{}}^{50}\mathrm{V}$, ${\mathrm{}}^{87}\mathrm{Rb}$, ${\mathrm{}}^{115}\mathrm{In}$, ${\mathrm{}}^{138}\mathrm{La}$, ${\mathrm{}}^{142}\mathrm{Ce}$, ${\mathrm{}}^{144}\mathrm{Nd}$, ${\mathrm{}}^{147}\mathrm{Sm}$, ${\mathrm{}}^{152}\mathrm{Gd}$, ${\mathrm{}}^{176}\mathrm{Lu}$, ${\mathrm{}}^{174}\mathrm{Hf}$, ${\mathrm{}}^{180}\mathrm{Ta}$, ${\mathrm{}}^{180}\mathrm{W}$, ${\mathrm{}}^{187}\mathrm{Re}$, ${\mathrm{}}^{190}\mathrm{Pt}$, ${\mathrm{}}^{192}\mathrm{Pt.}$ К ним следует добавить ${}_6{}^{14}\text{C}\mathrm{,}$ который образуется в атмосфере под действием космического излучения и всегда присутствует в живых организмах. После их гибели поступление углерода-14 прекращается и начинается его распад ${}_6{}^{14}\text{C}\to {}_7{}^{14}\text{N}+{}_{\mathrm{-}1}{}^0\text{e}{\text{ (β}}^{\mathrm{-}}\mathrm{).}$ Поскольку T_1/2 углерода-14 составляет 5500 лет, радиоуглеродный метод дает возможность определять возраст биологических объектов.

Радиоактивное излучение воздействует на вещество и, передавая веществу энергию, вызывает в нем электронное возбуждение, ионизацию и разрыв химических связей. Особенно опасно радиоактивное излучение для биологических объектов, поскольку оно может нарушить нормальное функционирование клеток, приводя к необратимым последствиям и даже к летальным исходам. Воздействие радиоактивного излучения на организм зависит от проникающей способности излучения. Из трех видов внешнего радиоактивного излучения наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение, которое практически полностью поглощается кожным покровом. Бета-излучение способно проникать под кожный покров на глубину до 1 см. Попадание в организм носителей этих радиоактивных излучений весьма опасно. Наибольшую опасность представляет собой гамма-излучение, поскольку оно обладает весьма высокой проникающей способностью.