Ізотопи. Природна і штучна радіоактивність. Одним із найбільш переконливих доказів складної будови атомів стало відкрите у 1896 р. французьким фізиком А. Беккерелем явище природної радіоактивності. Вивчення цього явища привело до важливого відкриття, що стосується природи атомних ядер. У результаті спостереження великої кількості радіоактивних перетворень поступово з’ясувалось, що є речовини, які мають різні радіоактивні властивості (тобто розпадаються по-різному), але цілком однакові за хімічними властивостями. На цій підставі Ф. Содді у 1911 р. висловив припущення про можливість існування елементів з однаковими хімічними властивостями, але різних за іншими властивостями (зокрема щодо радіоактивності). Ці елементи треба ставити в одну й ту саму клітку періодичної системи Менделєєва. Содді назвав такі елементи ізотопами (тобто такими, що займають однакові місця).
Атомні ядра з однаковим Z, але різними кількостями нейтронів N називаються ізотопами.
Наразі відомі ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, Гідроген має три ізотопи:
Гідроген звичайний - основний ізотоп, стабільний.
Дейтерій (важкий водень), входить як домішка до природного водню, її вміст становить 1/4500 частину.
надважкий водень - Тритій, отримують штучно, він радіоактивний.
Існування ізотопів доводить, що заряд атомного ядра і, отже, будова електронної оболонки визначають не всі властивості атома, а лише його хімічні властивості й ті фізичні, які залежать від периферії електронної оболонки, наприклад розміри. Маса ж атома і його радіоактивні властивості не залежать від порядкового номера в таблиці Менделєєва.
З явищем радіоактивності ви вже частково ознайомились в курсі фізики 9 класу. Пригадаємо його.
Радіоактивність - це спонтанне перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.
Радіоактивний розпад ядер (радіоактивність) є властивістю самого атомного ядра; на швидкість його протікання не впливають зовнішні фактори (температура, тиск, електричне або магнітне поле тощо).
Радіоактивність нестабільних ізотопів, що зустрічаються в природі називається природною. Штучна радіоактивність - це радіоактивність нестабільних ізотопів, отриманих в лабораторних умовах і як продукти штучних перетворень атомних ядер.
Види радіоактивного випромінювання. Дослідження Беккереля, Резерфорда, П’єра Кюрі, Марії Склодовської-Кюрі та інших учених показали, що радіоактивне випромінювання буває трьох видів. їх умовно було названо першими трьома літерами грецького алфавіту - а-, р-, у-вииромінювання.
Дослідження методом відхилення в магнітному полі, поставлені М. Склодовською-Кюрі, а згодом і Е. Резерфордом, показали, що радіоактивне випромінювання має різний електричний заряд: а-промені - позитивний, р- - негативний, а у-промені електрично нейтральні. Детальні дослідження радіоактивного випромінювання дали змогу з’ясувати його природу.
а-частинки - це ядра атома Гелію (2 протони та 2 нейтрони). Характеристичною величиною а-частинок є їх енергія (від 4 до 9 МеВ). Різні радіоактивні речовини випромінюють а-частинки різної енергії, однак усі а-частинки, випущені даною радіоактивною речовиною, мають цілком певну енергію. Найчастіше радіоактивна речовина випромінює не одну, а кілька груп а-частинок з цілком певним значенням початкової енергії. Пролітаючи крізь речовину, а-частинки поступово втрачають енергію, іонізуючи молекули речовини, і врешті, зупиняються. У повітрі за нормальних умов а-частинки утворюють в середньому приблизно 50 000 пар йонів на 1 см шляху. Довжина їх вільного пробігу у повітрі від 2 до 12 см, у твердих речовинах і рідинах - кілька мікрометрів. Тому а-частинки легко затримуються аркушем паперу.
Р-частинки - це потік швидких електронів. Пригадайте, у рентгенівських трубках також використовується потік електронів (катодне проміння). Проте p-промені відрізняються від катодних значно більшою енергією. Швидкості p-електронів можуть наближатись до швидкості світла та ся-
гати 0,999 с. На відміну від ачастинок, p-електрони даної радіоактивної речовини мають не одне значення енергії, а можуть мати енергію від 0 до деякого максимального значення (характерного для даного хімічного елемента). Внаслідок відносно малої маси p-електрони розсіюються в речовині, їх траєкторії мають покручений вигляд, для них не існує певної довжини вільного пробігу. Щоб затримати р-частинки треба шар металу товщиною близько 3 мм.
у-промені, як було з’ясовано у попередньому параграфі, - це короткохвильовий вид електромагнітного випромінювання, який виникає внаслідок переходу ядра із збудженого стану в основний. За допомогою кристалічних ґраток вдалось спостерігати дифракцію гамма-променів і визначити їх довжину хвилі. Вона виявилась порядку 10 10 м, тобто в десятки разів меншою, ніж у жорстких рентгенівських променів, що зумовлює високу проникну здатність у-променів. Енергія у-променів становить від 0,02 до 2,6 МеВ. Для їх поглинання потрібен шар свинцю товщиною понад 20 см.
Альфа- і бета-розпади. Радіоактивне випромінювання є продуктом самодовільного розпаду атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випускають лише а-частинки, інші - р-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають обидва види випромінювання. Зауважимо, що у-проміння, як правило, не є самостійним типом радіоактивності, воно супроводжує а- і p-розпади. Розглянемо детальніше види радіоактивного розпаду.
У процесах радіоактивного розпаду всіх видів виконуються класичні закони збереження: енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду. Крім того виконується й ще один закон - закон збереження кількості нуклонів: загальна кількість нуклонів у будь-якому радіоактивному розпаді залишається незмінною (нуклони не зникають і не виникають, відбувається їх перетворення).
Радіоактивний розпад супроводжується перетворенням одного хімічного елемента в інший. Ядро, що утворюється у результаті a-розпаду буде відрізнятись від вихідного тим, що воно втрачає 2 протони і 2 нейтрони. Наприклад, при a-розпаді радію
утворюється елемент, порядковий но
мер якого Z = 88 - 2 = 86 і масове число А = 226 - 4 = 222 . Отже, у результаті утворюється радон,
Загальне рівняння а -розпаду записують у вигляді
a-розпад зумовлений тим, що сильна взаємодія не в змозі забезпечити стабільності дуже важких ядер. Внаслідок того, що сильна взаємодія короткодійна, вона зв’язує лише сусідні нуклони. Кулонівська ж сила відштовхування діє в об’ємі всього ядра.
Нестабільність ядра можна охарактеризувати й енергією зв’язку, у нашому випадку вона недостатня, щоб ядро було стабільним. Маса «вихідного* ядра більша за сумарну масу утвореного ядра та а-частинки. Різниця мас, згідно із законом взаємозв’язку маси-енергії, виділяється, в основному, у вигляді кінетичної енергії а- частинки.
Наприклад, оцінимо кінетичну енергію а- частинки, яка випромінюється ядром урану
У результаті a-розпаду утворюється ядро торію
Використовуючи табличні значення мас ядер, визначи
мо дефект маси, який виникає в результаті розпаду і виділяється у вигляді
кінетичної енергії, що перерозподіляється між продуктами розпаду. 232,03714 а.о.м.-(228,02873 а.о. м +4,002603 а.о.м) = 0,00581 а.о. м.
Оскільки 1 а.о.м. = 931,5 МеВ, то кінетична енергія приблизно дорівнює 5,4 МеВ. Використовуючи закон збереження імпульсу, можна показати, що кінетична енергія а-частинки дорівнює приблизно 5,3 МеВ, ядро торію отримує віддачу у протилежному напрямі і має кінетичну енергію приблизно 0,1 МеВ.
Може виникнути запитання, чому ядро випромінює саме а-частинку (комбінацію 2 протонів та 2 нейтронів), d не окремо протони і нейтрони? Справа в тому, що в такій комбінації енергія зв’язку утвореного ядра досить велика.
Якщо механізм a-розпаду дістав просте і природне пояснення, то механізм p-розпаду довгий час залишався не розгаданим. Дійсно, звідки при p-розпаді беруться електрони, адже їх немає у складі ядра.
Зрозуміло, що р-частинка не є електроном оболонки атома, тому що видалення електрона з оболонки є йонізацією атома, в результаті якої не відбувається зміни хімічної природи атома. Таким чином, оскільки р-частинка не є складовою ядра і не є електроном, вирваним з оболонки атома, можна припустити, що p-електрон «народжується» у результаті процесів, які відбуваються всередині ядра. Перевіримо цю гіпотезу.
У процесі p-розпаду масове число залишається незмінним, отже залишається незмінним загальна кількість нуклонів у ядрі. При цьому змінюється (підвищується) на одиницю заряд ядра, тобто кількість протонів збільшується на одиницю. Відповідно кількість нейтронів має зменшитись на одиницю (оскільки масове число А залишається незмінним). Отже, p-розпад можна пояснити як перетворення одного з нейтронів на протон із випусканням p-електрона. Дійсно самодовільний процес перетворення протона у нейтрон має супроводжуватись виділенням енергії (коли б цього не було, то такий процес не міг відбутись самодовільно, ядру потрібне було б надходження енергії ззовні).
Згідно із законом взаємозв’язку маси-енергії виділена енергія має відповідати масі електрона. Проте було встановлено, що енергії, які виділялись під час p-розпаду, мають величину від 0 до деякого максимального значення Ет. Неперервний характер спектрів p-випромінювання виявився несподіваним, адже це начебто означало не виконання закону збереження енергії. Як показали детальніші дослідження, закон збереження імпульсу та моменту імпульсу також не виконувались при p-розпаді. Для подолання цих труднощів швейцарський фізик В.Паулі у 1931 р. запропонував гіпотезу, згідно з якою при p-розпаді з ядра вилітає ще одна частинка, яка не має електричного заряду і маса якої надзвичайно мала. Гіпотетична частинка могла б мати відповідну енергію, імпульс, що і забезпечило б виконання законів збереження. Експериментально виявити цю частинку вдалось лише у 50-х роках XX ст.
Згодом були відкритті й інші процеси перетворення частинок та виявлені нові частинки (та їх античастинки), що зумовило появу нового напряму у фізиці - фізики елементарних частинок. Детальніше про це у наступних параграфах.
Щодо процесів p-розпаду, то встановлено їх два види - р+- та р -розпади. У р -розпаді один з нейтронів всередині ядра перетворюється на протон,
електрон і антинейтрино,
Електрон і антинейтрино вилітають з ядра, а нуклони, які залишились, утворюють нове ядро.
Таким чином, загальне рівняння р розпаду (природного) записується у вигляді
У р+ розпаді протон перетворюється в нейтрон і одночасно випускаються позитрон і нейтрино
Це перетворення відбувається з поглинанням енергії, оскільки маса протона менша від маси нейтрона, і самодовільно відбуватись не може.
Що ж до у випромінювання, то воно звичайно виникає слідом за а- і р-розпадами, оскільки атомне ядро у результаті розпадів перебуває у збудженому стані і, переходячи на нижчий енергетичний рівень (у нормальний стан), випромінює у-квант.
Дайте відповіді на запитання
1. Що є причиною радіоактивного випромінювання? Яка природа а-, р-, у-випромінювання?
2. Альфа-частинку поглинула речовина. Де поділась а-частинка?
3. Певний радіоактивний елемент випускає тільки один тип частинок або а-, або р-частинки. Чому ж тоді радіоактивному елементу (наприклад Радію) властиві всі три види випромінювань: а, р, у?
4. Чому під час радіоактивного розпаду з ядра атома вилітає саме а-частинка, а не окремо один або два протони чи нейтрони?
5. Чому виникає v-квант в ядрі атома в процесі його радіоактивного розпаду?
6. Внаслідок радіоактивного розпаду ядро U перетворюється в ядро РЬ Скільки а- і p-розпадів при цьому відбувається?
7. Який закон електродинаміки постулює той факт, що в разі перетворення нейтрона на протон виникає саме електрон, що вилучається з ядра як р-частинка?