учащейся 11 «В» класса ГУВПО лицея «Белорусско-Российского университета» Сорокиной Валерии

Радиоактивность – Радиоактивность – это самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и жесткого электромагнитного излучения.

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл излучение, обладающее большой энергией и проникающей способностью, известное сегодня как рентгеновские лучи, которые возникают, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом (катодом) электронно- вакуумной лампы, ударяют в другую часть лампы во время высоковольтного разряда. Поскольку падающие катодные лучи вызывают также люминесценцию, когда они ударяют в лампу, то ошибочно предполагалось, что и люминесценция, и рентгеновские лучи образуются посредством одного и того же механизма и что люминесценция может сопровождаться рентгеновскими лучами.

Французский физик А.Беккерель решил выяснить, может ли люминесцентный материал, активированный светом, а не катодными лучами, также испускать рентгеновские лучи. Он поместил на фотографические пластинки, завернутые в плотную черную бумагу, люминесцентный материал, имевшийся у него под рукой сульфат уранил-калия (одна из солей урана),- и в течение нескольких часов подвергал этот пакет воздействию солнечного света.

После этого он обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку. Это, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи и свет после того, как была облучена солнечным светом. К удивлению Беккереля, оказалось, что тоже происходило и тогда, когда такой пакет помещали в темное место, без облучения солнечным светом. Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.

На протяжении нескольких месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что только соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией. В мае 1896 г. Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно как лучи Беккереля. Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана

Анри Беккерель (15 декабря августа 1908) Французский физик Антуан-Анри Беккерель родился в Париже. Беккерель получил среднее образование в лицее Людовика Великого. В 1872 г. поступил в Политехническую школу в Париже. В 1875 г. он приступил к изучению воздействия магнетизма на линейно поляризованный свет. Беккерель сотрудничал со своим отцом на протяжении четырех лет, написав цикл статей о температуре Земли. Закончив свои собственные исследования линейно поляризованного света в 1882 г., Беккерель продолжил исследования своего отца в области люминесценции, нетеплового излучения света.

В середине 1880-х гг. Беккерель также разработал новый метод анализа спектров, совокупностей волн различной длины, испускаемых источником света. В 1888 г. он получил докторскую степень за диссертацию о поглощении света в кристаллах. В течение нескольких последующих лет благодаря исследованиям Беккереля и других ученых было обнаружено, что мощность излучения, по- видимому, не уменьшается со временем. В 1900 г. Беккерель пришел к выводу, что эти лучи частично состоят из электронов, открытых в 1897 г. Дж. Томсоном в качестве компонентов катодных лучей.

В 1903 г. получает Нобелевскую премию вместе с супругами Кюри, продолжает вести преподавательскую и научную работу. Беккерель скончался в 1908 г. Награды: медаль Румфорда Лондонского королевского общества (1900 г.), медаль Гельмгольца Берлинской королевской академии наук (1901 г.), медаль Барнарда американской Национальной академии наук (1905 г.).

В 1898 г. Мари Кюри (ученица Беккереля) открыла, что торий (Th) испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность. В 1899 г. Дебьерн открыл радиоактивный элемент актиний (Ac). Начатый супругами Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения, подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу содержащихся в них атомов урана.

Среди обследованных минералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит), которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количество чистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержаться неизвестный высокоактивный элемент. Проведя тщательное химическое разделение уранинита на составляющие компоненты, они открыли радий (Ra), по химическим свойствам сходный с барием, и полоний (Po), который выделялся вместе с висмутом.

В дальнейших исследованиях радиоактивности ведущая роль принадлежала Э. Резерфорду. Сосредоточив внимание на изучении этого явления, он установил природу радиоактивных превращений и сопутствующего им излучения. Эрнест Резерфорд (30 августа октября 1937)

Когда французскому физику Пьеру Кюри исполнилось 35 лет, он уже был широко известным ученым. Ему принадлежали интересные открытия в области физики кристаллического состояния вещества и пьезоэлектрического эффекта, магнитных свойств веществ при высоких температурах. Закономерное изменение свойств парамагнитных веществ от температуры носит его имя (закон Кюри). Пьер Кюри (15 мая апреля 1906)

Однако на рубеже XIX и XX вв. сфера его научных интересов изменилась: вместе со своей женой - выпускницей Парижского университета Марией Склодовской-Кюри он занялся выяснением природы уранового излучения и изучением радиоактивности. Супруги Кюри посвятили лучшие годы жизни беззаветному труду во имя науки - при отсутствии необходимых средств, в плохо оборудованной лаборатории они открыли и выделили два новых химических элемента. Пьер Кюри установил, что соли радия самопроизвольно выделяют теплоту. Мария Склодовская-Кюри (7 ноября июля 1934) (7 ноября июля 1934)

19 апреля 1906 г. в результате нелепого несчастного случая трагически погиб Пьер Кюри. Горе не сломило Марию: она продолжила дело жизни своего мужа - научные исследования в области радиоактивности, возглавила в Парижском университете кафедру, которой руководил ранее Пьер. В 1914 г. она стала первым руководителем физико- химического отдела Парижского Института радия, созданного при ее деятельном участии. Во время первой мировой войны Мария Склодовская-Кюри впервые в широком масштабе организовала медицинское применение излучений (она обучила работе на рентгеновских установках более 1500 человек). Во время первой мировой войны Мария Склодовская-Кюри впервые в широком масштабе организовала медицинское применение излучений (она обучила работе на рентгеновских установках более 1500 человек).

Мария Склодовская-Кюри умерла в 1934 г. от лучевой болезни. Ее лабораторные тетради до сих пор сохраняют высокий уровень радиоактивности. В честь супругов Кюри был назван искусственно полученный химический элемент с порядковым номером 96 - кюрий Cm.

Естественные радиоактивные элементы испускают три вида излучений: альфа, бета и гамма. В 1899 г. Резерфорд идентифицировал альфа- и бета-излучение. В 1900 г. П. Вийар открыл гамма-излучение.

Альфа-излучение. В воздухе при атмосферном давлении альфа-излучение преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума электрическое и магнитное поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление и величина отклонений указывают на то, что альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц, для которых отношение заряда к массе (e/m) в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия (He++). Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия.

Разделение радиоактивного излучения в магнитном поле на альфа-, бета- и гамма-лучи схематично показано на рисунке.

Бета-излучение. Это излучение обладает большей проникающей способностью, чем альфа- излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Рисунок: проникающая способность альфа-, бета-, гамма-излечений Рисунок: проникающая способность альфа-, бета-, гамма-излечений.

Гамма-излучение. Гамма-излучение проникает в вещество гораздо глубже, чем альфа- и бета- излучение. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение. Гамма-излучение – фотонное(электромагнитное) ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях и распространяющееся со скоростью света.

В основе всех методов регистрации радиоактивных излучений лежит их ионизирующее и фотохимическое действие. Газоразрядный счётчик Гейгера – один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катода), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, α-частица), пролетая в газе, вырывает из атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство.

Для регистрации α- и β- частиц используют камеру Вильсона – цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Камера содержит насыщающие пары воды или спирта.

При быстром выдвигании поршня воздух в камере охлаждается, пар становиться перенасыщенным. Впускаемые в камере через тонкое окошко частицы на своём пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелле сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц – «треки».

Пузырьковая камера содержит перегретую жидкость (эфир, жидкий водород, жидкий гелий и др.). При уменьшение давления происходит закипание жидкости, пузырьки пара, прежде всего возникают в местах, где жидкость подвергается ионизации, т.е. где имеються заряженные частицы. Путь заряженной частицы(трек) обозначается цепочкой пузырьков жидкости, которая и фотографируется.

Метод толстослойных фотоэмульсий. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллы, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливает металлическое серебро, и цепочка зёрен серебра образует трек частиц. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка см для α-частиц, испускаемых радиоактивным элементом), но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами. Нейтральные частицы, не оказывающие непосредственного ионизирующего действия, обнаруживаются по вторичным эффектам – по следам заряженных частиц, образующихся либо при распаде нейтральных частиц на заряженные, либо при их столкновении с частицами атомов фотоэмульсии.

Период полураспада T 1/2 – это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов. Чем меньше период полураспада, тем меньше живут атомы и следовательно тем быстрее происходит радиоактивный распад. Периоды полураспадов различных радиоактивных изотопов изменяются в очень широких пределах: у урана 4,5 млрд. лет, у радия 1590 лет, у радона 3,825 суток, у одного из изотопов полония 1,5*10 -4 суток.

Закон радиоактивного распада: N=N 0 *2 -t/T N=N 0 *2 -t/T где N- число не распавшихся ядер к моменту времени t, N 0 –начальное число радиоактивных ядер; T – период полураспада. Число распавшихся ядер к моменту времени t: ΔN=N 0 (1-2 -t/T ) Скорость распада - число распадов в единицу времени. I(t)=I 0 *2 -t/T Активность радиоактивного распада вещества – это число распадов радиоактивных ядер за 1 с.: A=N/1,44T A=N/1,44T

"Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия". Пер. с англ. - М.: Прогресс, radioaktivnogo-raspada.html