До кінця XIX століття все хімічні елементи здавалися сталими і неподільними. Чи не виникало питання про те, як можна перетворити незмінні елементи. Але відкриття радіоактивності перевернуло відомий нам світ і проклало шлях до відкриття нових речовин.
відкриття радіоактивності
Честь відкриття перетворення елементів належить французькому фізику Антуану Беккерелю. Для одного хімічного досліду йому знадобилися кристали сульфату ураніл-калію. Він загорнув речовина в чорний папір і поклав пакет біля фотопластинки. Після проявлення плівки вчений побачив на знімку обриси кристалів уранила. Незважаючи на щільний шар паперу, вони були добре помітні. Беккерель кілька разів повторював цей досвід, але результат виявлявся тим же: обриси кристалів, що містять уран, чітко просвічувалися на фотографічних пластинках.
Результати відкриття Беккерель оприлюднив на черговій нараді, яку проводила Паризька академія наук. Його доповідь починався словами про «невидиму радіації». Так він описував результати своїх експериментів. Після цього в ужиток фізиків і увійшло поняття радіації.
досліди Кюрі
Результати спостережень Беккереля зацікавили французьких вчених Марію і Поля Кюрі. Вони справедливо вважали, що радіоактивними властивостями міг володіти не тільки уран. Дослідники помітили, що залишки руди, з яких видобувається ця речовина, все ще мають високу радіоактивність. Пошуки елементів, що відрізняються від вихідних, привели до відкриття речовини з властивостями, аналогічними урану. Новий радіоактивний елемент отримав найменування полоній. Таку назву Марія Кюрі дала речовини в честь своєї батьківщини - Польщі. Слідом за цим був відкритий радій. Радіоактивний елемент виявився продуктом розпаду чистого урану. Після цього в хімії почалася ера нових, раніше не зустрічаються в природі хімічних речовин.
елементи
Велика частина відомих на сьогоднішній день ядер хімічних елементів нестабільна. Згодом такі сполуки мимовільно розпадаються на інші елементи і різні дрібні частки. Більш важкий елемент-батько в співтоваристві фізиків отримав назву вихідного матеріалу. Продукти, що утворюються при розкладанні речовини, іменуються дочірніми елементами або продуктами розпаду. Сам процес супроводжується викидом різних радіоактивних частинок.
ізотопи
Нестабільність хімічних елементів можна пояснити існуванням різних ізотопів одного і того ж речовини. Ізотопи - це різновиди деяких елементів періодичної системи з однаковими властивостями, але з різним числом нейтронів в ядрі. Дуже багато рядових хімічні речовини мають хоча б один ізотоп. Те, що ці елементи широко поширені і добре вивчені, підтверджує, що вони знаходяться в стабільному стані як завгодно довго. Але кожен з цих «довгоживучих» елементів містить ізотопи. Ядра їх вчені отримують в процесі проведених в лабораторних умовах реакцій. Штучний радіоактивний елемент, що отримується синтетичним шляхом, в стабільному стані довго існувати не може і з часом розпадається. Процес цей може йти трьома шляхами. За назвою елементарних частинок, які є побічними продуктами термоядерної реакції, всі три види розпаду отримали свої імена.
Альфа-розпад
Радіоактивний хімічний елемент може перетворитися за першою схемою розпаду. В цьому випадку з ядра вилітає альфа-частинки, енергія якої досягає 6 млн еВ. При детальному вивченні результатів реакції було встановлено, що ця частка є атом гелію. Вона забирає з ядра два протона, тому що вийшов радіоактивний елемент матиме в періодичній системі атомний номер на дві позиції нижче, ніж у речовини-батька.
Бета-розпад
Реакція бета-розпаду супроводжується випромінюванням одного електрона з ядра. Поява цієї частки в атомі пов`язано з розпадом нейрона на електрон, протон і нейтрино. Оскільки електрон залишає ядро, радіоактивний хімічний елемент збільшує свій атомний номер на одну одиницю і стає важчим за свого батька.
Гамма-розпад
При гамма-розпаді ядро виділяє пучок фотонів з різною енергією. Ці промені і прийнято називати гамма-випромінюванням. При цьому процесі радіоактивний елемент зберігають свою ідентичність. Він просто втрачає свою енергію.
Сама по собі нестабільність, яку має той чи інший радіоактивний елемент, абсолютно не означає, що при наявності певної кількості ізотопів наше речовина раптом зникне, виділивши при цьому колосальну енергію. У реальності розпад ядра нагадує приготування попкорна - хаотичний рух зерен кукурудзи на сковорідці, причому абсолютно невідомо, яке з них розкриється першим. Закон реакції радіоактивного розпаду може гарантувати тільки те, що за певний відрізок часу з ядра вилетить кількість частинок, пропорційне числу залишилися в ядрі нуклонів. Мовою математики цей процес може бути описаний такою формулою:
dN = lambda-Ndt.
Тут на обличчя пропорційна залежність числа нуклонів dN, які покидають ядро за період dt, від числа всіх наявних в ядрі нуклонів N. Коефіцієнт lambda- є константу радіоактивності розпадається речовини.
Число нуклонів, що залишилися в ядрі в момент часу t, описується формулою:
N = N0e-lambda-t,
в якій N0 - число нуклонів в ядрі на початку спостереження.
Наприклад, радіоактивний елемент галоген з атомним номером 85 був відкритий лише в 1940 році. Період напіврозпаду його досить великий - 7,2 години. Вміст радіоактивного галогену (астату) на всій планеті не перевищує одного грама чистого речовини. Таким чином, за 3,1 години кількість його в природі має, по ідеї, зменшитися вдвічі. Але постійні процеси розпаду урану і торію дають початок новим і новим атомам астату, хоча і в дуже маленьких дозах. Тому кількість його в природі залишається стабільним.
Період напіврозпаду
Константа радіоактивності служить для того, щоб з її допомогою можна було визначити, наскільки швидко розпадеться досліджуваний елемент. Але для практичних завдань фізики частіше використовують величину, звану періодом напіврозпаду. Цей показник повідомляє, за який час речовина втратить рівно половину своїх нуклонів. Для різних ізотопів цей період варіюється від крихітних часток секунди до мільярдів років.
Важливо розуміти, що час в цьому рівнянні не складається, а множиться. Наприклад, якщо за проміжок часу t речовина втратило половину своїх нуклонів, то за термін в 2t воно втратить ще половину від решти - тобто одну четверту від первинної кількості нуклонів.
Виникнення радіоактивних елементів
Природним чином радіоактивні речовини утворюються у верхніх шарах атмосфери Землі, в іоносфері. Під дією космічного випромінювання газ на великій висоті зазнає різні зміни, які перетворюють стабільна речовина в радіоактивний елемент. Газ, найбільш поширений в нашій атмосфері - N2, наприклад, зі стійкого ізотопу азот-14 перетворюється в радіоактивний ізотоп вуглецю-14.
У наш час набагато частіше радіоактивний елемент виникає в ланцюзі рукотворних реакцій атомного ділення. Так називають процеси, в яких ядро речовини-батька розпадається на два дочірніх, а після - на чотири радіоактивних «онучатих» ядра. Класичний приклад - ізотоп урану 238. Його період напіврозпаду становить 4,5 мільярда років. Практично стільки ж існує наша планета. Після десяти етапів розпаду радіоактивний уран перетворюється в стабільний свинець 206. Штучно отриманий радіоактивний елемент по свої властивостями нічим не відрізняється від свого природного побратима.
Практичне значення радіоактивності
Після Чорнобильської катастрофи багато хто всерйоз заговорили про згортання програм розвитку атомних електростанцій. Але в побутовому плані радіоактивність приносить людству величезну користь. Вивченням можливостей її практичного застосування займається наука радіографія. Наприклад, радіоактивний фосфор вводиться пацієнтові для отримання повної картини кісткових переломів. Ядерна енергія служить також для вироблення тепла та електроенергії. Можливо, в подальшому нас чекають нові відкриття і в цій дивній області науки.
