Общие сведения о радиоактивности, строении атома и атомного ядра

Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Однако, с момента открытия явления радиоактивности прошло немногим более ста лет. В конце 1895 г. в печати появилось сообщение об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, которые Рентген назвал Х-лучами, свободно проходили сквозь дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей - в часть открывшего их ученого. Это открытие стало сенсационным в научном мире.

В 1896 г. французским ученым Анри Беккерелем было открыто явление радиоактивности. На заседании Академии наук Анри Беккерель сообщил, что наблюдавшиеся им излучения, проникавшие аналогично рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинок, самопроизвольно, без вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так было установлено,что неизвестные излучения испускаются веществами, в состав которых входит уран. Беккерель их назвал урановыми. Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами Марии Складовской и ее мужа Пьера Кюри. В 1898 г. они провели исследование и обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из них они назвали полонием, а другой радием. Супругам Кюри наука обязана глубоким всесторонним изучением нового явления, которое по предложению Марии Складовской-Кюри было названо радиоактивностью.

Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться и испускать различные виды излучений. При этом происходит превращение атомов одних элементов в атомы других. Радиоактивные превращения свойственны лишь отдельным веществам. Вещество считается радиоактивным, если в нем идет процесс радиоактивного распада.

Радиоактивное излучение, встречающихся в природе веществ называется естественной или природной радиоактивностью, а испускаемое искусственно полученными изотопами - искусственной. Для получения искусственных радиоактивных веществ необходимо запустить реакцию деления атомного ядра. Все искусственные ядерные реакции происходят при столкновении ядра-мишени с элементарной частицей.

Поскольку все химические элементы состоят из атомов, то объектом исследования ученых многие годы был сам атом, а точнее его строение. В настоящее время известно, что атом – наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы существуют в свободном и связанном состоянии. Размеры атома очень малы и составляют 10¯¹º м (на 1см можно разместить 100 млн. атомов), а его масса - 10¯²⁷ кг. Изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так называемой планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком Э.Резерфордом в 1911 г. Затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Согласно данной модели атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам крошечные «планеты» - отрицательно заряженные электроны ( рис. 88). Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро состоит из более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом. Одни из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре определяет к какому химическому элементу относится данный атом, например, ядро атома водорода содержит всего один протон, атома кислорода – 8, урана – 92. В каждом атоме число электронов равно числу протонов в ядре, а масса протона больше массы

Рис. 88. Строение атома. А – электрон; Б – протон; В – нейтрон.

электрона. Поскольку каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, то в целом атом электрически нейтрален.

В ядре присутствуют и другие электрически нейтральные частицы, называемые нейтронами. Протоны и нейтроны в ядре называются нуклонами (от лат. nucleus) и имеют близкие по значению массы, поэтому масса ядра определяется, в основном, массой нуклонов в ядре. Масса атома, ядра и его составных частей измеряется в атомных единицах массы (АЕМ). 1 АЕМ = 1\12 массы атома углерода-12, что составляет 1,66х10¯²⁷ кг.

Нуклоны в ядре связаны между собой определенными силами взаимодействия. И чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения. В связи с этим, энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра.

Атомы с определенными числами протонов и нейтронов в ядре называются нуклидами. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Например, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов, а уран-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть они никогда не претерпевают никаких превращений в отсутствие внешнего воздействия. Другие из них нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. Причем этот процесс не может быть прекращен или ускорен каким либо физическим или химическим воздействием. При каждом акте распада нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде радиоактивного излучения. Проиллюстрируем сказанное на следующем примере: в ядре урана-238 протоны и нейтроны недостаточно прочно удерживаются силами сцепления. И периодически из ядра вырываются четыре частицы: два протона и два нейтрона (так называемая α-частица), уран-238 превращается в другой элемент – торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Однако торий-234 также нестабилен и после определенного процесса распада ядра образуется другой элемент протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Далее следуют другие ядерные превращения, сопровождаемые выделением энергии и излучениями. В конечном итоге вся цепочка распада урана-238 заканчивается образованием стабильного нуклида свинца. Довольно часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения. Тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением.

Процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться называются радионуклидами. Все радионуклиды нестабильны, но одни из них более нестабильны, чем другие. Например, половина всех атомных ядер протактиния-234 в каком-либо радиоактивном источнике распадется за время, немногим больше минуты, а урана-238 за 4,5 млрд. лет. Период времени, в течение которого, в результате самопроизвольных ядерных превращений, распадается половина радиоактивных ядер, называется периодом полураспада радионуклида (Т½). Этот процесс продолжается непрерывно. За время, которое равно одному периоду полураспада распадутся 50 атомных ядер из 100, за следующий аналогичный промежуток времени – 25, и так далее по экспоненциальному закону.

Как уже было сказано, период полураспада у разных радионуклидов различен и колеблется в широких пределах – от долей секунды до тысяч и более лет.

Периоды полураспада некоторых радионуклидов:

Йод-131 – 8,04 суток

Йод-134 - 52,6 мин

Цезий-134 – 2,06 года

Цезий- 137 – 30,17 лет

Стронций-90 - 29,12 лет

Калий-40 - 1,4·10 лет

Плутоний-239 – 24065 лет

Радон – 222 - 3,825 суток

Радон - 220 - 51,4 сек

Уран – 238 - 4,5· 10³ лет

Каждый радионуклид распадается с определенной скоростью. Поэтому для количественной характеристики радиоактивных распадов используется физическая величина, называемая активностью радионуклида, которая характеризуется числом распада радиоактивных ядер в единицу времени. В системе СИ за единицу измерения активности принят беккерель (Бк), в честь ученого, открывшего явление радиоактивности. Один беккерель равен одному распаду в секунду. На практике и в литературе используется и внесистемная единица измерения активности – кюри (Кu). За 1 Кu принята активность 1г радия-226.

1 Кu = 3,7 · 10¹º Бк; 1 Бк = 2,7· 10¯¹¹ Кu.

В дозиметрической практике используют величину удельной, поверхностной и объемной активности, которую можно записать в следующем виде: Аm (Бк/кг; Кu/кг), Аs (Бк/ м²; Кu/ м²), Аv (Бк/м³; Кu/ м³), где m – масса вещества; s – площадь поверхности вещества; v – объем вещества.