Путешествие в Страну элементов

Что же происходит с ядром, когда оно испускает альфа-частицу? Поскольку заряд его уменьшается на две единицы, очевидно, оно превращается в ядро элемента, стоящего на две клетки левее в периодической системе. Атомный вес его уменьшается на четыре единицы. В качестве примера можно привести превращение атома радия в радон: радий → радон + альфа-частица.

В ядерной физике это уравнение записывается так:

Следующая группа превращений связана с испусканием ядрами бета (β) — частиц, или электронов. Этот процесс обязан своим происхождением избытку нейтронов в ядрах некоторых атомов. Схему его можно представить следующим образом: нейтрон → протон + электрон, или n → p + e– то есть нейтрон переходит в протон, и образующийся при этом электрон покидает ядро. Нетрудно догадаться, что при бета-распаде образующийся элемент располагается в периодической системе на одну клетку вправо, а атомный вес остается без изменения, поскольку масса электрона близка к нулю. В качестве примера можно привести превращение протактиния в уран:

В отличие от альфа-частиц бета-частицы не обладают ни постоянной величиной пробега, ни постоянной энергией. Такое положение наблюдается для любого радиоактивного вещества, испускающего бета-частицы. Это дало повод некоторым ученым даже сомневаться в фундаментальном законе природы — законе сохранения энергии.

Объяснил это явление знаменитый итальянский ученый Энрико Ферми. Он доказал, что испускание бета-частицы ядром атома должно сопровождаться вылетом из ядра еще одной частицы, не имеющей электрического заряда, с массой, близкой к нулю. Эта частица получила название «нейтрино», что по-итальянски значит «маленький нейтрон», «нейтрончик».

Поскольку ядро выбрасывает две частицы, энергия между ними может распределиться самым различным образом. Нейтрино может забрать много энергии, и тогда на долю бета-частицы достанется лишь малая ее часть. Нейтрино может и не получить ничего, тогда бета-частица будет иметь максимальную энергию, которой и характеризуется бета-излучение. Бета-частицы вылетают из ядер с громадной скоростью, близкой к скорости света. А поскольку заряд их мал, то в отличие от альфа-частиц они редко вызывают ионизацию атомов вещества, в котором движутся. Поэтому и пробег их значительно больше, чем у альфа-частиц.

Кроме отрицательно заряженных бета-частиц, существуют еще и положительные, которые обозначаются значком р+ и называются позитронами. Если ядро испускает позитрон, образующийся элемент передвигается на одну клетку влево в периодической системе.

Еще одна группа превращений связана с явлением, которое получило название электронного захвата. Он наблюдается, когда ядра содержат избыточное количество протонов. В этом случае ядро захватывает электрон с ближайшей электронной оболочки, и один из протонов превращается в нейтрон:

p + e → n

Обычно ядро захватывает электрон с оболочки, ближе всего расположенной к ядру, с так называемой K-оболочки, почему это явление и получило название «K-захват». В результате захвата в электронной оболочке образуется «вакантное» место, которое занимает электрон, находившийся раньше на оболочке, более удаленной от ядра. Переход электрона с одной оболочки на другую является причиной рентгеновского излучения.

При K-захвате образующийся элемент оказывается в периодической системе на одну клетку влево.

Известен вид радиоактивных превращений, называемый спонтанным делением. К нему «склонны» только очень тяжелые ядра, например тория и урана. Суть процесса заключается в самопроизвольном «раскалывании» ядра на две части. В результате образуются ядра элементов середины периодической системы.

Наконец, к последней группе превращений относится так называемый изомерный переход. Пояснить его можно так. Пусть у нас есть два совершенно одинаковых ядра. Равны их массы, равны их заряды. Но только одно ядро, как говорят физики, находится на более высоком энергетическом уровне, то есть у него имеется избыток энергии. Такие ядра называются изомерами. Чтобы перейти в свое нормальное, стабильное состояние, возбужденное ядро должно освободиться от избыточной энергии, что оно и делает, испуская гамма (γ) — лучи. Они представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. При их испускании, как можно понять, не изменяются ни масса атома, ни его порядковый номер. Поскольку гамма-лучи не являются частицами вещества и электронейтральны, они слабо взаимодействуют с веществом, а потому и обладают очень большой проникающей способностью, какая недоступна альфа- и бета-частицам.

Таковы основные виды превращений ядер.

Атомы радиоактивных элементов не могут «жить» сколь угодно долго. Все они с течением времени претерпевают те или иные превращения. Но если «жизнь» атома ограничена во времени, значит можно говорить об их «времени распада». Ученые заметили, что если для наблюдения взять большое количество радиоактивного вещества, то за единицу времени распадется много атомов. Если же взять небольшое количество — число распадающихся атомов и интенсивность излучения пропорционально уменьшаются. Чем меньше радиоактивного вещества было взято, тем медленнее оно распадалось, но процент распадающихся атомов во всех случаях был одинаков. Этот «постоянный процент» носит название радиоактивной постоянной и обычно обозначается греческой буквой λ (ламбда). Наконец, каждый радиоактивный элемент распадается наполовину, сколько бы его ни было взято, за строго определенное время. Его называют периодом полураспада и обозначают T½[5].

Периоды полураспада известных в настоящее время радиоактивных изотопов различны — от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Так, период полураспада одного из изотопов радона равен 3,8 дня, а урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Для многих радиоактивных изотопов период полураспада можно измерить непосредственно по уменьшению интенсивности его излучения.

Закон радиоактивного распада, хотя он и не очень сложен, выводится при помощи высшей математики. Однако, правда с меньшей точностью, его можно получить при помощи несложных алгебраических преобразований.

Пусть у нас в какой-то момент есть какое-то количество атомов радиоактивного элемента, равное N0. Тогда по прошествии некоторого времени t у нас останется лишь N1 его атомов. Очевидно, что скорость превращения равна отношению числа распавшихся атомов к величине прошедшего промежутка времени, то есть

(N0 – N1)/t

Скорость же распада, как было найдено учеными, пропорциональна числу атомов радиоактивного элемента, имевшемуся вначале, то есть

(N0 – N1)/t = λN0

В этом уравнении λ — коэффициент пропорциональности, или, как мы уже знаем, доля атомов радиоактивного элемента, претерпевающих превращение в единицу времени. А теперь преобразуем наше уравнение:

N0 – N1 = N0λt;

N1 = N0(1 – λt).

Это и есть основной закон распада (в несколько упрощенном виде), которому подчиняются все радиоактивные элементы.

5

Разумеется, речь идет о периоде полураспада данного радиоактивного изотопа. Когда говорят о T½ элемента, то имеют в виду его наиболее долго живущий изотоп.