Радіоактивність

Для проведення тесту використовувалася фотоплівка, яка під дією цих променів чорніла. Експеримент показав, що для того, щоб досліджуваний матеріал почорнів плівку, не потрібна сонячна радіація. Однак це суперечило початковій гіпотезі, тому довелося провести подальші дослідження. Цього разу завдання полягало в тому, щоб підтвердити або спростувати рентгенівські промені як фактор, що спричинив зміну плівки. Був використаний той факт, що рентгенівські промені не несуть ніякого заряду, тому вони не викривляються магнітним полем. Беккерель помістив матеріал, що містить уран, і фотоплівку у вакуумну камеру, розташовану в магнітному полі. У результаті експерименту було виявлено, що промені, які випромінює досліджуваний зразок, згинаються в магнітному полі, що означає, що це не те саме, що рентгенівське випромінювання. У ході продовження своїх досліджень вчений показав, що існує три типи випромінювання, яке можуть випромінювати матеріали – нейтральне, позитивно заряджене та негативно заряджене. На основі цих припущень наступні дослідники висунули свої тези та провели подальші експерименти. Марія Склодовська Кюрі та П’єр Кюрі відкрили наступні радіоактивні елементи: полоній і радій. Ернест Резерфорд, лауреат Нобелівської премії з хімії , також присвятив частину своєї кар’єри радіоактивності і назвав види випромінювання, відкриті Беккерелем, грецькими літерами алфавіту: альфа, бета і гамма.

Звідки береться радіоактивність?

Дослідження показали, що радіоактивність є властивістю деяких елементів. Це свідчить про його тісний зв’язок з їх атомним рівнем, а точніше – з атомним ядром. Кожен із трьох видів випромінювання — це квант енергії, який може випромінювати нестабільне ядро. Це означає, що випромінювання насправді є результатом їх розпаду. Поява таких нестабільних ядер на практиці зумовлена ​​їх співвідношенням протонів і нейтронів. Через різні типи нестабільності існують також різні типи випромінювання. Ключем до розуміння радіоактивності є ізотопи та їх відмінності на атомному рівні. Наприклад, найпоширеніший ізотоп вуглецю ¹² C не є радіоактивним, тоді як ¹⁴ C є радіоактивним. Їх атомний номер , а отже, і число протонів, однакове. Різниця також не може бути пов’язана з кількістю електронів, тому що тоді атом був би позитивно або негативно зарядженим іоном. Єдиною можливістю у випадку ізотопів є відмінності в кількості нейтронів у ядрі. ¹⁴ C має на два нейтрони більше, ніж ¹² C, тому він також важчий. Існування ізотопів для всіх елементів означає, що кількість радіоактивних ядер також велика. Такі нестабільні та радіоактивні ізотопи називаються радіоізотопами, але їх поширеність не така висока, як ті, які видно в періодичній системі елементів .

Чому ядро ​​може бути нестійким?

На протони та нейтрони в ядрі діють великі ядерні сили, які утримують їх разом, долаючи електростатичне відштовхування між протонами. На відміну від протонів, нейтрони позитивно впливають на посилення ядерної сили. Було показано, що відношення числа нейтронів до числа протонів повинно бути приблизно 1,5:1. Для легших атомів менше 20u стабільне співвідношення становить 1:1. В іншому випадку ядра мають тенденцію до розпаду. Усі ізотопи елементів з атомною масою понад 208 нестабільні.

Рисунок 1 Графік області стабільності в залежності від числа нуклонів в ядрі. Джерело: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

1. Альфа-розпад, особливо у масивних ядрах, що випромінює два протони та два нейтрони,
2. Бета-розпад, коли в ядрі занадто мало протонів, що призводить до випромінювання електронів,
3. Бета плюс розпад, якщо в атомному ядрі є надлишок протонів, з випромінюванням позитронів.

Ці типи розпадів включають зміну кількості протонів у ядрі, а отже, також зміну хімічного елемента з одного на інший.

Альфа (α) випромінювання

Експериментально в 1909 р. Е. Резерфорд і Т. Ройдс показали, що альфа-частинки ідентичні іонам гелію. Після проходження альфа-випромінювання через тонкі стінки вакуумної камери зображення спектральних ліній на оптичному спектрометрі, отримане в газовій камері, це наочно підтвердило. Наприклад, ядро ^​​240 Pu піддається альфа-випромінюванню відповідно до реакції: Альфа-випромінювання характеризується позитивно зарядженими частинками з радіусом дії в кілька сантиметрів у повітрі та дуже низькою проникністю. Їх зупинить аркуш паперу.

Бета (β) випромінювання

У разі бета-мінус випромінювання випромінюються електрони, що виходять з ядра. Оскільки для ядер не характерна наявність електронів, вони утворюються лише при розпаді, а крім них випромінюється ще й друга частинка – електронне антинейтрино. Завдяки збільшенню кількості протонів у молекулі бета-розпад елемент перетворюється на інший елемент з більш високим атомним номером. Приклад розпаду узгоджується з цим механізмом: Це випромінювання характеризується негативно зарядженими частинками з радіусом дії в кілька десятків сантиметрів у повітрі та більшою проникністю порівняно з альфа-випромінюванням. Він закривається алюмінієвим листом товщиною приблизно від 3 до 4 мм. Бета-плюс розпад відбувається подібним чином, але він випромінює позитронні частинки та електронні нейтрино. Кількість протонів у ядрі зменшується, і елемент, який зазнає цього, перетворюється на інший з меншим атомним номером, як у прикладі:

Гамма (γ) випромінювання

Це єдиний вид випромінювання, який не перетворює один елемент на інший, тому що він не випромінює жодних частинок, лише саме гамма-випромінювання. Це один із типів електромагнітних хвиль, схожий на інфрачервоне або ультрафіолетове світло, але хвиля гамма-випромінювання найкоротша. Процес розпаду викликає перехід збудженого ядра атома в стан меншої енергії, в результаті чого випромінюються фотони з енергетичним еквівалентом ядра атома в окремих станах. Діаграму ходу гамма-розпаду можна записати так: Характеристикою гамма-випромінювання є його ототожнення з електромагнітною хвилею високої частоти світлоподібної природи. Дальність дії в повітрі теоретично необмежена, а проникність є найбільшою з усіх видів радіоактивності. Його зупиняє лише товста стінка або п’ятнадцятисантиметровий шар свинцю.