Радиоактивность. Доказательством сложности строения атомов явилось открытие явления радиоактивности. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель (1852—1908) производил опыты с солями урана. Он установил, что атомы урана испускают невидимые глазом излучения, способные проникать через бумагу или картон и вызывать почернение фотографической пластинки.
Явление испускания атомами невидимых проникающих излучений назвали радиоактивностью (от слова «радиус» — луч). Польского происхождения физик Мария Склодовская - Кюри (1867—1934) и французский физик Пьер Кюри (1859—1906) доказали, что радиоактивные излучения испускаются не только атомами урана, но и атомами некоторые других элементов. По радиоактивному излучению ими были открыты два неизвестных ранее химических элемента — радий и полоний.
Исследования радиоактивного излучения показали, что радиоактивные атомы испускают не один, а три вида излучения различной физической природы. Эти излучения были названы альфа-, бета - и гамма-лучами.
Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи — потоком электронов, а гамма-лучи — потоком квантов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны, порядка 10-11 — 10-13 м.
В результате радиоактивного распада, как впервые доказали в 1902 г. английские ученые Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) и Фредерик Содди (1877—1956), происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента. Например, атом урана в результате радиоактивного распада превращается в два атома — атом тория и атом гелия. Открытие явления радиоактивного распада доказывало сложность внутренней структуры атомов, опровергало представление о неизменности, неразрушимости атомов.
Стабильные и нестабильные ядра. Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.
Альфа-распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на альфа-частицу ( ядро атома гелия ) и ядро-продукт. Например, продуктом альфа-распада ядра изотопа урана является ядро изотопа тория
Начальная кинетическая энергия всех альфа-частиц, испускаемых ядрами одного изотопа, одинакова, или испускаются альфа-частицы с двумя-тремя разными значениями начальной кинетической энергии.
Альфа-распад радиоактивных ядер может сопровождаться испусканием гамма-квантов. Бета-распад.
Явление электронного бета-распада представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путём испускания электрона.
Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называются бета-радиоактивными.
Например, при бета-распаде ядра изотопа калия , девятнадцатого
элемента таблицы Менделеева, продуктом распада является ядро изотопа кальция двадцатого элемента:
Массовое число ядра - продукта бета-распада остаётся прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется.
Гамма-излучение сопровождает бета-распад в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта.
Закон радиоактивного распада.
Распад большого количества ядер любого радиоактивного изотопа
подчиняется одному закону, который может быть выражен в следующей
математической форме:
Это уравнение носит название «закона радиоактивного распада». (Т) - постоянная величина, она называется «периодом полураспада.
Бета-распад. Явление электронного бета-распада представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона. В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Масса свободного нейтрона больше массы свободных протона и электрона, вместе взятых, — следовательно, запас полной энергии нейтрона больше запаса энергии протона и электрона. Поэтому нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон р с испусканием электрона и антинейтрино v:
п→ р + е- + v
Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называются бета- радиоактивными. В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро — продукт бета-распада оказывается ядром одного из изотопов элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра. Например, при бета-распаде ядра изотопа калия K, девятнадцатого элемента таблицы Менделеева, продуктом распада является ядро изотопа кальция Са двадцатого элемента:
K → Са + е- + v
Массовое число ядра — продукта бета-распада остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменяется.
Гамма-излучение при бета-распаде и бета-спектр.
Бета-распад, как и альфа-распад, может сопровождаться гамма-излучением. Гамма-излучение сопровождает бета-распад в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта.
В нем N0означает начальное количество радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинаются наблюдения (t = 0). Число ядер, не испытавших распада до некоторого произвольного момента времени t, обозначено N .
Символом Т обозначена постоянная величина, зависящая от типа радиоактивного изотопа. Эта постоянная называется периодом полураспада. Через промежуток времени, равный периоду полураспада (t = Т), исходное количество радиоактивных ядер убывает вдвое.