Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)?

Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)?

 

Как использование явлений  радиоактивности позволило осуществить  мечту алхимиков? Что такое изотопы? Как можно разделить их и насколько  это важно?

 

Радиоактивность впервые была обнаружена в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем в процессе проверки гипотезы о флуоресцентной природе рентгеновского излучения. Он обнаружил, что ураново-калиевая соль самопроизвольно, спонтанно, без  внешних воздействий испускает  жесткое излучение. Позже Беккерель  установил, что данное явление, названное  им радиоактивностью, то есть способностью ядер превращаться друг в друга, целиком  связано с присутствием урана, который  стал первым радиоактивным химическим элементом. Через несколько лет  подобные свойства были обнаружены у  тория, затем у полония и радия, открытых Мари и Пьером Кюри, а в  дальнейшем у всех химических элементов, номера которых больше 82. С появлением ускорителей и ядерных реакторов  у всех химических элементов были обнаружены радиоактивные изотопы, большинство которых практически  не встречаются в естественных условиях.

 

Анализируя проникающую способность  радиоактивного излучения урана, Эрнст  Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную альфа-излучением, и более проникающую, названную бета-излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом гамма-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений.

 

В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что альфа-излучение  представляет собой поток альфа-частиц, которые являются не чем иным, как  ядрами изотопа гелия ⁴Не, а бета-излучение состоит из электронов. Наконец, гамма-излучение оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.

 

Очень любопытной оказалась природа  бета-распада ядер. Теория этого  явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми, который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в бета-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что бета-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе - "слабым" взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е^- и антинейтрино v (бета--распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е⁺ и нейтрино, а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино v (электронный захват).

 

На этом все виды радиоактивных  превращений атомных ядер не исчерпываются.

 

Начиная с 50-х годов физики методично  приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной

 

Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)? (продолжение)

 

Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению  таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность  открыли в 1982 году немецкие физики в  Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных  ионов.

 

Ядра, которые распадаются самопроизвольно, без воздействия внешних факторов, называются естественно радиоактивными. Различие между естественной и искусственно наведенной радиоактивностью не очень  существенно для понимания строения ядра, однако изучение естественных радиоактивных  рядов позволило сделать важные выводы относительно возраста Земли  и использовать такие элементы в  качестве источников бомбардирующих частиц задолго до того, как были изобретены ускорители частиц.

 

Опыты с естественно радиоактивными элементами показали, что на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять обычными физическими средствами: теплом, давлением и т.п. Таким образом, поначалу казалось, что нет какого-либо эффективного метода исследования структуры  естественно стабильных изотопов. Однако в 1919 Резерфорд обнаружил, что ядра можно расщеплять, бомбардируя их альфа-частицами. Первым расщепленным элементом был азот, который в  виде газа заполнял камеру Вильсона. Альфа-частицы, испускаемые ториевым источником, сталкивались с ядрами азота, поглощались ими, в результате чего испускались быстрые  протоны. Это была первая реакция, в  которой проявилась искусственная  радиоактивность - превращение ядер под действием других частиц.

 

Все известные элементы и встречающиеся  в природе изотопы могут быть "искусственным" путем превращены в соседние элементы. Все эти новые  изотопы оказываются радиоактивными, однако в результате последующего распада  они превращаются в стабильные изотопы. Были получены новые элементы, вплоть до элемента с порядковым номером 103; все они оказались радиоактивными с относительно коротким периодом полураспада.

 

Явления радиоактивности принципиально  позволяют осуществить мечту  алхимиков - превращение веществ  в золото, однако на практике такие  ядерные реакции не проводятся ввиду  их крайней дороговизны.

 

Американский физик Фредерик Содди  показал, что атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый порядковый номер в таблице Менделеева (т. е. одинаковый электрический заряд  ядра), могут иметь различную массу. Поскольку такие атомы обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно и то же место в периодической таблице, Содди назвал их "изотопами" {от греческих слов одинаковый и место). Двумя годами раньше, в 1911 г., Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой атом состоит из расположенного в центре ядра, вокруг которого по определенным орбитам обращаются электроны. Однако тогда предполагалось, что электроны, по-видимому, имеются и в самом ядре, частично нейтрализуя заряд протонов. Через 20 лет, когда был открыт нейтрон и стал известен состав атомного ядра, существование изотопов получило свое логическое и простое объяснение. Атомы одного и того же химического элемента имеют в ядре одинаковое число протонов и столько же электронов, обращающихся вокруг ядра, вследствие чего атом электрически нейтрален.

Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)? (окончание)

 

Но эти атомы могут различаться  по числу нейтронов в ядре, чем  и объясняется различие в их атомных  массах, которое, тем не менее, почти  не сказывается на их химических свойствах. Как говорил сам Фредерик Содди, изотопы одинаковы "снаружи", но различны "внутри".

 

Пионером в создании методов  разделения изотопов был Фрэнсис Уильям Астон. В 1913 г. он предложил для этого метод газовой диффузии. Хотя изотопы химически идентичны, они различаются по своей массе, что влияет на скорость их диффузии и некоторые другие физико-химические характеристики. Метод газовой диффузии сегодня широко используется в химической технологии для получения радиоактивных изотопов, используемых в атомной энергетике.

 

Более важным открытием Астона является, однако, электромагнитный метод разделения изотопов. Он основан на простой идее: отклонение ионизованных атомов (ионов) в электрическом или магнитном поле должно зависеть от их массы. В 1919 г. Астон сконструировал свой первый масс-спектрограф. В этом приборе пучок ионов, пройдя через электрическое и магнитное поля, падал на фотопленку, на которой записывался так называемый масс-спектр. Этот прибор произвел революцию в исследовании изотопов, так как их разделение отныне свелось к простой лабораторной операции.

 

Разделение изотопов имеет большое  значение как для промышленности (атомная энергетика), так и для  фундаментальной науки (например, использование  радиоактивных меток в изучении химических реакций).

 

80. Естественная и искусственная  радиоактивность. Примеры.

Радиоакти́вность (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Соответствующее явление называется радиоакти́вным распа́дом. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра. 
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны). 
Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. 
Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции. 
 
 
 
 
Естественная радиоактивность 
 
Естественная радиация была всегда: до появления человека, и даже нашей планеты. Радиоактивно всё, что нас окружает: почва, вода, растения и животные. В зависимости от региона планеты уровень естественной радиоактивности может колебаться от 5 до 20 микрорентген в час. По сложившемуся мнению, такой уровень радиации не опасен для человека и животных, хотя эта точка зрения неоднозначна, так как многие ученые утверждают, что радиация даже в малых дозах приводит к раку и мутациям. Правда, в связи с тем, что повлиять на естественный уровень радиации мы практически не можем, нужно стараться максимально оградить себя от факторов, приводящих к значительному превышению допустимых значений. 
 
Откуда же берется естественная радиоактивность? Существует три основных источника: 
 
1. Космическое излучение и солнечная радиация — это источники колоссальной мощности, которые в мгновение ока могут уничтожить и Землю, и всё живое на ней. К счастью, от этого вида радиации у нас есть надёжный защитник — атмосфера. Впрочем, интенсивная человеческая деятельность приводит к появлению озоновых дыр и истончению естественной оболочки, поэтому в любом случае следует избегать воздействия прямых солнечных лучей. Интенсивность влияния космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты. Чем выше Вы над Землей, тем интенсивнее космическое излучение, с каждой 1000 метров сила воздействия удваивается, а на экваторе уровень излучения гораздо сильнее, чем на полюсах. Ученые отмечают, что именно с проявлением космической радиации связаны частые случаи бесплодия у стюардесс, которые основное рабочее время проводят на высоте более десяти тысяч метров. Впрочем, обычным гражданам, не увлекающимися частыми перелетами, волноваться о космическом излучении не стоит. 
 
2. Излучение земной коры. Помимо космического излучения радиоактивна и сама наша планета. В её поверхности содержится много минералов, хранящих следы радиоактивного прошлого Земли: гранит, глинозём и т.п. Сами по себе они представляют опасность лишь вблизи месторождений, однако человеческая деятельность ведёт к тому, что радиоактивные частицы попадают в наши дома в виде стройматериалов, в атмосферу после сжигания угля, на участок в виде фосфорных удобрений, а затем и к нам на стол в виде продуктов питания. Известно, что в кирпичном или панельном доме уровень радиации может быть в несколько раз выше, чем естественный фон данной местности. Таким образом, хоть здание и может в значительной мере уберечь нас от космического излучения, но естественный фон легко превышается от использования опасных материалов. Уберечься от таких «сюрпризов» можно, только используя дозиметры. По мнению специалистов http://www.dozimetr.biz, это единственный способ померить уровень радиации в бытовых условиях и не приобретать опасные с радиационной точки зрения материалы. 
 
3. Радон — это радиоактивный инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, и, как правило, именно он становится причиной радиоактивности строительных материалов. Радон имеет свойство скапливаться под землей в больших количествах, на поверхность же он выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре. 
 
Радон активно поступает в наши дома с бытовым газом, водопроводной водой (особенно, если её добывают из очень глубоких скважин), или же просто просачивается через микротрещины почвы, накапливаясь в подвалах и на нижних этажах. Снизить содержание радона, в отличие от других источников радиации, очень просто: достаточно регулярно проветривать помещение и концентрация опасного газа уменьшится в несколько раз. 
 
Искусственная радиоактивность 
 
В отличие от естественных источников радиации, искусственная радиоактивность возникла и распространяется исключительно силами людей. К основным техногенным радиоактивным источникам относят ядерное оружие, промышленные отходы, АЭС, медицинское оборудование, предметы старины, вывезенные из «запретных» зон после аварии Чернобыльской АЭС, некоторые драгоценные камни. 
 
Радиация может попадать в наш организм как угодно, часто виной этому становятся предметы, не вызывающие у нас никаких подозрений. Единственный способ обезопасить себя — купить дозиметр радиации. Этот миниатюрный прибор окажет Вам неоценимую услугу: Вы всегда сможете самостоятельно контролировать безопасность членов своей семьи, не доверяя «уловкам» продавцов стройматериалов, антиквариата или торговцам на рынке, ручающимся за безопасное происхождение и экологическую чистоту своего товара. Мы сами ответственны за свою жизнь и здоровье. Защитите себя от радиации!

 

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность (или  фоновое излучение) — следствие  спонтанного распада естественных радиоизотопов, имеющихся в скальных породах и живой материи. Она  растет с глубиной из-за окружающих скальных пород и с высотой  под воздействием космических лучей. Некоторые области могут иметь  высокую природную радиоактивность  из-за скальных пород (например, изверженных  скальных пород, таких как гранит), испускающих газ радон.

Природные радионуклиды можно разделить  на две большие группы - первичные, т. е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и  космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают с внеземным веществом. Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли.

Таблица2. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид	T1/2, лет	Доля в природной смеси изотопов, %
238U	4,5 • 109	99,27
235U	7,0 • 108	0,72
232Th	1,4 • 1010	100
40K	1,3 • 109	0,0117
87Rb	4,9 • 1010	27,8
150Nd	5 • 1010	5,6
147Sb	1,6 • 1011	15,07
176Lu	3,6 • 1010	2,6
138La	1 • 1011	0,089

 

Три первичных радионуклида —  ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th — являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов*. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие — состояние,      вРис.4     Пример образования естественных радиоактивных рядов.               Котором радиоактивности (!но не количества ядер!) всех членов ряда равны между собой. 

 Вековое равновесие между  радионуклидами устанавливается  в том случае, если период полураспада  материнского радионуклида велик  по сравнению с периодом полураспада  дочернего. 

Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

 

А=А₀(1-е^-λt)     ⁽¹⁴⁾