Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Чем объясняется радиоактивность? Каково происхождение радиоактивных лучей?

В результате многолетних исследований было установлено, что радиоактивность — ядерный процесс, что испускание радиоактивных лучей является следствием сложных превращений, испытываемых ядрами атомов радиоактивных веществ. Оказалось, что ядра урана, радия, полония и других радиоактивных элементов недостаточно прочны и поэтому сами без всякого внешнего воздействия последовательно превращаются в более простые и устойчивые ядра атомов других элементов. Подобные самопроизвольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов называются радиоактивным распадом. В куске урана, например, сложные и недостаточно устойчивые ядра его атомов постепенно (то одно, то другое) самопроизвольно превращаются в несколько более прочные ядра тория, выбрасывая при этом альфа-частицу.

Подобным же образом ядра радия, испуская альфа-частицу, самопроизвольно превращаются в ядра атомов тяжелого инертного газа — радона.

Радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц называют альфа-распадом, а сами вещества, распадающиеся таким путем, — альфа-активными. Уран, радий, полоний и другие преимущественно тяжелые элементы являются альфа-активными веществами.

Распад многих других радиоактивных веществ сопровождается испусканием бета-частиц и называется бета-распадом. Так, например, ядро актиния самопроизвольно превращается в ядро тория, выбрасывая бета-частицу. Вещества, распадающиеся с испусканием бета-частицы, называются бета-активными.

Искусственные радиоактивные вещества обладают обычно бета-активностью, но среди них встречаются такие вещества, ядра которых при своем распаде испускают «антиэлектроны», то есть положительно заряженные электроны, называемые позитронами. Соответственно этому различают электронный бета-распад, свойственный многим бета-активным атомам, и позитронный бета-распад, встречающийся у искусственно-радиоактивных атомов.

Существуют и такие Вещества, которые обладают одновременно и альфа- и бета-активностью.

Что касается гамма-лучей, то испускание их представляет собой процесс, обычно сопровождающий альфа- и бета-распад атомных ядер.

Атомные ядра, получающиеся при распаде большинства радиоактивных веществ, оказываются в свою очередь радиоактивными и распадаются дальше. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется, наконец, устойчивое ядро нерадиоактивного элемента. Цепочки радиоактивных превращений оказались весьма длинными и сложными, но все же удалось в них разобраться. Установлено, что почти все естественные радиоактивные элементы образуют всего четыре радиоактивных рядаили семейства. У каждого семейства имеется свой родоначальник; остальные же элементы — продукты его последовательного радиоактивного распада, связанные между собой по происхождению. Эти семейства следующие:

1. Семейство урана — радия, родоначальником которого является уран с атомным весом 238 (уран 238), одним из главных представителей — радий и конечным продуктом — нерадиоактивный свинец с атомным весом 206 (свинец 206).

2. Семейство тория; его родоначальник — торий 232, конечный стабильный продукт — свинец 208.

3. Семейство урана — актиния; его родоначальник — одна из разновидностей урана (уран 235), один из представителей — актиний и конечный стабильный продукт — свинец 207.

4. Семейство нептуния, открытое в 1947 г.; его родоначальник — плутоний 241, конечный стабильный продукт — висмут 209.

Семейство урана — радия схематически дано на рис. 9, где по горизонтальной оси отложен порядковый номер элемента в системе Менделеева (атомный номер), а по вертикальной оси — атомный вес.

Цепочка радиоактивных превращений начинается здесь с урана 238 ( 92U 238) и тянется в направлении, обозначенном стрелками, к свинцу 206.

Альфа-распад ведет на этой диаграмме к смещению влево вниз, а бета-распад к смещению по горизонтали вправо.

Ряд имеет разветвления, обусловленные тем, что одно и то же вещество может обладать и альфа- и бета-активностью. Например, атомы RaC (разновидности висмута) способны превращаться либо в RaC' (разновидность полония) путем бета-распада, либо в RaC'' (разновидность таллия) путем альфа-распада. Затем RaC' претерпевает альфа-распад, a RaC'' — бета-распад. В итоге оба эти распада ведут к возникновению одного и того же вещества RaD, являющегося разновидностью свинца.

Прежде всего следует указать, что атомы радиоактивных элементов распадаются не одновременно все сразу, а как бы по очереди: один, потом другой, третий и т. д. Но рано или поздно все радиоактивные атомы распадаются, превращаясь в более устойчивые атомы.

Процесс этот происходит с определенной для каждого вещества скоростью, которую невозможно ни увеличить, ни уменьшить. У каждого радиоактивного вещества распадается в единицу времени вполне определенная часть (доля) общего числа его атомов.

Число атомов, распадающихся в единицу времени, зависит, разумеется, от начального количества атомов, то есть от начальной массы радиоактивного вещества. Чем меньше взято вещества, тем меньше в нем атомов и тем меньше будет число распадающихся атомов. Так, например, в грамме радия распадается в течение секунды 37∙10 9(37 млрд.) атомов. Если же взять ½ г , то число распадающихся за то же время атомов уменьшится вдвое. Но доля распадающихся атомов не изменится и будет для данного радиоактивного вещества постоянной величиной, за что ее и называют постоянной распада.

Постоянную распада λ для радия мы найдем, если 37∙10 9разделим на число атомов, содержащихся в грамме радия, приблизительно равное 27∙10 20:

Эта малая дробь показывает, что в секунду из каждых 10 триллионов атомов радия распадается всего 137 атомов.

Постоянная распада зависит от устойчивости атомных ядер и у различных радиоактивных веществ имеет свои разные значения. Чем больше постоянная распада, тем быстрее уменьшается первоначальное количество атомов. Время, в течение которого распадается половина атомов данного радиоактивного вещества, обозначается Т и называется периодом полураспада. Этой величиной и характеризуется на практике скорость радиоактивного распада.