Как объясняется радиоактивность современной
наукой?
Существует наука с довольно скучным названием -изотопная статистика.
Она наводит строгий бухгалтерский учет для тысячи с лишним радиоактивных
изотопов.
Вспомним, какие виды радиоактивных превращений нам известны. Это а-распад,
бета-распад и спонтанное (самопроизвольное) деление. Обратим особое внимание
на р-распад. Изотопная статистика подсчитала, что около 80% всех радиоактивных
изотопов распадается по типу р-распада.
Этот распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений.
Первый вид — испускание электрона бета--распад), второй вид
— испускание позитрона бета+-распад), третий вид обнаружил в
1937 г. американский ученый Луис Альварец. Оказалось, что некоторые ядра
могут поглощать электроны с ближайших к ядру электронных оболочек. Заряд
ядра-поглотителя, как и при бета+-распаде, уменьшается на единицу.
Природная радиоактивность ка-лия-40 как раз.связана с тем, что ядром этого
изотопа поглощается орбитальный электрон (см. рисунки 5 и 11 в ст. «Великий
закон"). Если электрон поглощается ядром с К-оболочки (ближайшей к ядру),
то это так называемый /(-захват; если со следующей L-оболочки —
это L-захват. Но он встречается крайне редко. Значит, в процессах р-распада
обязательно участвует либо электрон, либо его электрический антипод — позитрон.
Ядра состоят только из протонов и нейтронов. И тем не менее при бета--
или при бета+-распадах из ядер вылетают электроны и позитроны.
Модель ядра не приемлет электроны, а между тем электрон поглощается ядром
при орбитальном захвате. Как же это понять?
А если допустить, что ядерные протоны и нейтроны не неизменны и способны
превращаться друг в друга? Ядерный нейтрон может превращаться в протон,
при этом вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу. Тут происходит
бета--распад. Ядерный протон, в свою очередь, может стать нейтроном,
а положительный заряд уносится вместе с позитроном. Заряд ядра станет на
единицу меньше. Здесь мы имеем дело с бета+-распадом. Заметим,
что одновременно с позитроном или электроном вылетает элементарная частица
нейтрино v (или антинейтрино v). Мы можем записать эти распады в виде схем
:
А процесс орбитального захвата можем изобразить так:
Выходит, что при бета--распаде ядро, теряя нейтрон, приобретает
лишний протон, а при бета+-распаде и орбитальном захвате оно,
наоборот, меняет протон на нейтрон. Механика на первый взгляд очень несложная.
Но почему тогда далеко не все ядра подчиняются этой механике?
Важнейшее условие устойчивости атомных ядер -отношение числа содержащихся
в них нейтронов к числу протонов (п : р). Оно приблизительно равно
1 у изотопов легких элементов и достигает 1,6 у тяжелых. Только при определенных
значениях отношения п : р ядра устойчивы. При других же отношениях
они способны к бета-распаду.
Неустойчивы ядра с большим числом нейтронов -у них велико отношение
п : р. Как оно может уменьшиться? Только если п станет
меньше, а р - больше, если нейтрон превратится в протон, испустив электрон,
т. е. путем бета--распада. Поэтому все тяжелые изотопы с избытком
нейтронов оказываются бета--активными. Когда же отношение п
: р мало, то у ядра появляется стремление заменить протон на нейтрон
и, испустив позитрон, восстановить равновесие. Легкие радиоактивные изотопы
химических элементов надо считать приверженцами бета+-распада.
Орбитальный захват - это тоже привилегия легких изотопов, стремящихся
к обмену протона на нейтрон. Но встречается он главным образом у элементов,
у которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру, т.
е. у элементов в середине и в конце периодической системы.
Почему же ядра остаются устойчивыми при каких-то "избранных" отношениях
п : р? Может быть, эта устойчивость мнимая и ядра даже при этих
соотношениях в очень слабой (необнаруженной пока) степени радиоактивны?
Или же вся эта схема лишь весьма грубое приближение к действительности
-своего рода "рабочая модель"?
Словом, на вопрос: "Что такое радиоактивность? " - в наше время исчерпывающего
ответа еще нет. Обратимся теперь к другим видам радиоактивного распада.
Альфа-распад - явление частое среди радиоактивных изотопов. И главным
образом у элементов конца периодической системы. Вылет а-частицы сопровождается
изменением массы исходного ядра на 4, а заряда - на 2 единицы. Поэтому
долгое время считалось, что к а-распаду способны только самые тяжелые,
наиболее сложные ядра - ядра элементов начиная со свинца и висмута.
Каково же было удивление ученых, когда они установили, что а-распад
может быть у многих изотопов редкоземельных элементов, расположенных в
середине таблицы Менделеева! Отдельные изотопы лантана и церия, празеодима
и неодима, самария и гадолиния, диспрозия и тербия по странной прихоти
природы охотно теряют а-частицы.
Оправдать эту прихоть помогла так называемая оболочечная модель атомного
ядра. Протоны и нейтроны слипаются в ядерный комок не в беспорядке,
заявили ученые. Напротив, составные частицы ядра должны располагаться в
строгом порядке. Подобно тому как электроны в атомах распределяются по
оболочкам, ядерные протоны и нейтроны также разложены по "полочкам" с разными
уровнями энергии, и на эти "полочки" вмещаются строго определенные количества
протонов или нейтронов - 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ядра, содержащие такие
количества частиц, получили название магических, их можно считать
своеобразными "инертными газами" в периодической системе изотопов (подробнее
об этом см. в ст. "Великий закон").
Ядра изотопов редкоземельных элементов содержат количества нейтронов,
близкие к "магическому" числу 82. И эта близость, как доказали физики,
способствует нарастанию вероятности а-распада. Поэтому в области редкоземельных
элементов наблюдается первая на протяжении периодической системы "вспышка"
а-активности. В районе классических а-излучателей (элементы конца таблицы
Менделеева) дает себя знать близость оболочки из 126 нейтронов. В целом
16% радиоактивных изотопов распадаются, испуская а-частицы.
Спонтанное (самопроизвольное) деление - это самый кардинальный
тип радиоактивных превращений. Он встречается только у очень тяжелых ядер.
Ему подвержены многие а--активные ядра, а в особенности изотопы
трансурановых элементов. У ядер элементов, находящихся в соседстве с ураном,
спонтанное деление - явление очень редкое. Если бы в природе существовало
только спонтанное деление, то, например, из 1 г изотопа тория-232 осталось
бы 0,5 г за колоссальный срок, который даже трудно себе представить, -
1021 лет. Этот изотоп распадается гораздо быстрее благодаря
а-распаду.
С ростом заряда в ядре вероятность самопроизвольного деления стремительно
нарастает, и, например, у изотопа менделевия-256 (порядковый № 101) период
полураспада по спонтанному делению равен всего 30 мин. Физики установили
четкий критерий способности ядра к самопроизвольному делению. Он измеряется
отношением квадрата заряда ядра Z к атомной массе А (массовому числу)
изотопа. Как только величина Z2 : А достигает значения
44,5, самопроизвольное деление становится вероятным.
Оболочечная модель ядра не может объяснить механизм спонтанного деления.
Приходится привлекать для этого другую модель - капельную. Ученые
давно проводили аналогию между свойствами ядра и свойствами капли жидкости.
Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она
может разделиться на более мелкие капли. Подобным же образом и ядро, если
оно, как говорят физики, придет в возбужденное состояние, способно делиться
- либо под действием нейтронов, либо самопроизвольно.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Снимок сделан 26 сентября 1936 г.
В этот день ученые были в гостях в Москве в Физико-химическом институте
им. Л. Я. Карпова.
Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958)
Французский физик и прогрессивный общественный деятель, член Парижской
академии наук и академий наук ряда стран, в том числе член-корреспондент
Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии (1935), председатель Всемирного
Совета Мира (с 1951 г.), лауреат международной Ленинской премии "За укрепление
мира между народами" (1951). Совместно с И. Жолио-Кюри открыл явление искусственной
радиоактивности, а также новый вид радиоактивности - позитронную радиоактивность
(1934). Экспериментально доказал возможность превращения света в вещество.
Ф. Жолио-Кюри провел исследования, которые привели к открытию нейтрона,
первый (в середине 1939 г.) определил число вторичных нейтронов (больше
двух), вылетающих при делении ядра атома урана. Он показал принципиальную
возможность цепной реакции с освобождением атомной энергии.
Ирен Жолио-Кюри (1897-1956)
Французский физик, член-корреспондент Академии наук СССР, лауреат
Нобелевской премии (1935), дочь П. Кюри и М. Склодовской-Кюри. Совместно
с мужем Ф. Жолио-Кюри открыла явление искусственной радиоактивности (1934),
экспериментально доказала возможность превращения света в вещество, открыла
новый тип радиоактивности - позитронную радиоактивность. Один из искусственных
радиоактивных элементов был назван в честь ученых двух поколений - кюрием.
|