ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

В главе использован текст из книги Евы Кюри “Биоргафия Марии Кюри”

и из книги К.Хоффмана “Можно ли сделать золото”

Радиоактивность

После открытия Рентгеном Х-лучей французский физик Анри Беккерель решил исследовать, не подобны ли рентгеновским лучам и те лучи, какие исходят от флуоресцирующих тел под влиянием света. Увлеченный такой же задачей, Анри Беккерель исследовал соли урана, которые обладали флуоресцирующим свойством. Он брал соединение урана, выставлял его на солнечный свет, после чего заворачивал освещенный препарат в черную бумагу и наблюдал, как препарат урана испускает лучи, которые, подобно лучам Рентгена, проходили через черную бумагу и засвечивали фотопленку. Беккерель считал, что это разновидность флуоресценции – энергия, поглощенная от солнечных лучей, переизлучается в рентгеновском диапазоне. По тем временам это было немаловажное открытие.

Но вот однажды погода была дождливая, солнца на небе не было, и Беккерель прекратил свои опыты, спрятав урановую соль в ящик стола. По случайности, пакетик с солью урана был положен на фотобумагу. Каково же было удивление Беккереля, когда он обнаружил, что бумага засвечена как раз в том месте, где лежал препарат урана, причем без всякого внешнего излучения. Беккерель пришел к выводу, что это излучение испускается самим ураном. Было это в 1896 году.

Это свойство урана заинтересовало молодых ученых Пьера Кюри и его жену Марию Склодовскую-Кюри, которые назвали это свойство урана радиоактивностью. Они проверили все известные тогда элементы таблицы Менделеева и пришли к выводу, что кроме урана, явлением радиоактивности обладает еще и торий, остальные же элементы таким свойством не обладают.

И вдруг - полная неожиданность: радиоактивность, оказывается, гораздо значительнее, чем можно было ожидать, судя по количеству урана или тория в данных образцах!

Что является причиной этой чрезвычайной, ненормальной радиоактивности? Остается единственное объяснение: вероятно, исследуемые минералы содержат в очень большом количестве некое вещество с гораздо большей радиоактивностью, чем торий и уран.

В сообщении, представленном через профессора Липпманна академии и напечатанном в "Докладах Академии наук" в связи с заседаниями 12 апреля 1898 года, говорится: "Мари Склодовска-Кюри заявляет о том, что в минералах с окисью урана, вероятно, содержится новый химический элемент, обладающий высокой радиоактивностью":

“...Два урановых минерала: уранинит (окисел урана) и хальколит (фосфат меди и уранила) - значительно активнее, чем сам уран. Этот крайне знаменательный факт вызывает мысль о том, что в данных минералах может содержаться элемент гораздо более активный, чем уран...”

Так был сделан первый шаг к открытию радия.

Супруги Кюри ищут это "очень активное вещество" в содержащем уран минерале - урановой смолке (уранините). В своем природном виде она проявляла радиоактивность, вчетверо большую, чем чистый окисел урана, входящий в состав самого минерала. Но состав минерала был достаточно хорошо изучен.

Следовательно, новый элемент представлен в нем в столь малых количествах, что его присутствие ускользнуло от внимания ученых и не соответствовало чувствительности применяемых химических анализов.

По самым пессимистическим расчетам (как и подобает настоящим физикам, всегда выбирающим из двух вероятностей менее приятную), Пьер и Мари полагают, что количество нового вещества должно составлять, как максимум, один к ста по отношению к содержанию урановой смолки. Они считают, что это очень мало. Как бы изумились они, если бы узнали, что новый радиоактивный элемент представлен в урановой смолке отношением даже меньшим, чем один к миллиону!

Терпеливо приступают они к исследованию по их собственному методу: обычными аналитическими приемами выделяют все элементы, входящие в состав уранинита, а затем измеряют радиоактивность каждого из них в отдельности. Путем последовательного отбора они мало-помалу убеждаются, что радиоактивность сосредоточивается в двух различных химических фракциях. Для супругов Кюри это обстоятельство являлось указанием на то, что существуют два новых элемента. В июле 1898 года они уже могут заявить об открытии одного из них.

“...Мы полагаем, что вещество, которое мы извлекли из урановой руды, содержит еще не описанный металл, по своим химическим свойствам близкий к висмуту. Если существование этого металла подтвердится, мы предлагаем назвать его "полонием" - по имени страны, откуда происходит один из нас”

Отметим, что элемент полоний, названный в честь Польши, получил свое имя тогда, когда Польша не существовала как самостоятельное государство и была поделена между Российской, Германской и Австро-Венгерской империями. Мария Склодовская-Кюри, будучи патриотом своей родины, дала элементу такое название в знак протеста против порабощения Польши.

Чтобы показать скептикам радий и полоний, супругам Кюри понадобилось еще четыре года упорной работы. Теперь их цель - добыть радий и полоний в чистом виде. В тех наиболее радиоактивных продуктах, какие добыли эти ученые, оба вещества представлены только неуловимыми следами. Чтобы выделить новые элементы, предстояло обработать большие количества сырья. Только к 1902 году удалось выделить радий в наблюдаемых количествах. При его поисках на вопрос, как он представляет себе радий, Пьер Кюри отвечал: “мне хотелось бы, чтобы у него был красивый цвет”. Действительность превзошла ожидания: при получении металлического радия выяснилось, что он излучает свет в темноте.

Около 1900 года Пьер Кюри познакомился с молодым химиком Андре Дебьерном, который охотно выразил свое согласие заняться радиоактивностью: он предпринял исследование нового радиоэлемента, существование которого подозревалось в группе железа и редких земель. Он открыл этот элемент, названный актинием. Так, еще до выделения полония и радия французский химик Андре Дебьерн открыл для них их "брата" - актиний.

Исследование свойств радиоактивности

В течение 1899 и 1900 годов Пьер и Мария Кюри опубликовали статью об открытии индуцированной радиоактивности, вызываемой радием, другую статью - о явлениях радиоактивности и третью статью - о переносе электрического заряда посредством обнаруженных лучей. Наконец, для Физического конгресса 1900 года они пишут общий обзор по исследованию радиоактивных веществ, который вызовет огромный интерес в научном мире.

Исследованием радиоактивности занялся и молодой английский физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд. В 1899 году, поместив радиоактивный препарат в магнитное поле, он установил, что радиоактивное излучение делится на три типа: положительно заряженное, отрицательно заряженное и нейтральное. Они были названы соответственно альфа-, бета- и гамма-излучением.

С помощью простых опытов он доказал, что бета-лучи представляют поток электронов, а альфа-лучи идентичны дважды ионизованным атомам гелия. Совместно с молодым химиком Ф. Содди Резерфорд создает теорию радиоактивности. Согласно ей, радиоактивность – это самопроизвольный переход одних элементов в другие, сопровождающийся выделением огромного количества энергии в виде излучений разного типа. Таким образом, эта теория отвергала взгляд на атомы как на неделимые и неизменяемые частицы. В Канаде совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга "Радиоактивность". Они смогли показать, что когда атом испускает альфа- или бета-лучи, он преобразуется в атом иного сорта. Сначала химики не могли в это поверить. Однако Резерфорд и Содди провели целую серию экспериментов с радиоактивным распадом и трансформировали уран в свинец. Также Резерфорд измерил скорость распада и сформулировал важную концепцию «полураспада»: для каждого из радиоактивных веществ существует характеристика, которая называется период полураспада – время, за которое распадается половина радиоактивных атомов в образце. Следовательно, за время, равное двум периодам полураспада, количество атомов радиоактивного элемента уменьшается в 4 раза, за время, равное трем периодам полураспада – в 8 раз, и т.д. Это вскоре привело к технике радиоактивного исчисления, которое стало одним из важнейших научных инструментов и нашло широкое применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях. В формулах явление процесс радиоактивного распада описывается так:

N(t) = N₀∙2^-t/T1/2

где N(t) – количество атомов радиоактивного вещества в момент времени t, N₀ - количество атомов в начальный момента времени (t=0), T_1/2– период полураспада. Иногда вместо периода полураспада используют понятие «время жизни», обозначаемое буквой τ, в этом случае формула радиоактивного распада выглядит так:

N(t) = N₀∙e^-t/τ

где е – основание натуральных логарифмов. По порядку величины период полураспада и время жизни приблизительно равны друг другу.

В своей работе Резерфорд и Содди коснулись вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием альфа-частиц, они приходят к выводу, что "энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения". Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться "при объяснении явлений космической физики". В частности, постоянство солнечной энергии можно объяснить тем, "что на Солнце идут процессы субатомного превращения". Отметим, что чем выше энергия радиоактивного превращения, тем ниже период полураспада.

Впоследствии была проведена классификация видов радиоактивного распада: бета-распад и нуклонный распад. При бета-распаде меняется электрический заряд атомного ядра, но не меняется его атомная масса (барионный заряд). Известны три типа бета-распада:

- электронный бета-распад – ядро испускает электрон и антинейтрино, при этом заряд ядра увеличивается на единицу (ядро перемещается на клетку вперед в периодической системе)

- позитронный бета-распад – ядро испускает позитрон и нейтрино, при этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро перемещается на клетку назад в периодической системе)

- электронный захват: ядро поглощает один электрон с орбиты атома и испускает нейтрино, при этом заряд ядра уменьшается на единицу (ядро перемещается на клетку назад в периодической системе).

При нуклонном распаде меняется атомная масса ядра. Наиболее распространенный тип нуклонного распада – это альфа-распад, открытый Резерфордом в 1899 году, когда ядро испускает альфа-частицу (ядро атома гелия), при этом его заряд уменьшается на две единицы, а масса – на 4 единицы. Для тяжелых ядер характерен другой тип распада – спонтанное деление, при котором ядро делится примерно на две равные части. Этот тип распада был открыт Г.Н.Флеровым и К.Петржаком в 1940 году. Бывают и более экзотические типы нуклонного распада: например, с испусканием протонов, нейтронов, ядер атомов углерода, кислорода, магния, серы – это называется кластерный распад, который является большой редкостью по сравнению с альфа-распадом. Для нуклонного распада известна четкая зависимость между энергетическим выходом Q_a ядерной реакции и периодом полураспада T_1/2. Этот закон в общем виде выглядит так:

lg T_1/2 = A + B/(Q_a)^1/2

а для частного случая альфа-распада – так:

lg T_1/2 = 9.54Z^0.6/(Q_a)^1/2 - 51.37,

где период полураспада – в секундах, а энергия альфа-частиц – в МэВ. Эти соотношения называются закон Гейгера-Неттола. О выводе этого соотношения желающие могут прочитать по адресу http://nuclphys.sinp.msu.ru/practicum/alpha/pages/alpha.htm.

Ядерные реакции

Как выяснилось, на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять никакими физическими или химическими факторами – период полураспада остается постоянной величиной. Однако превращения одного элемента в другой можно инициировать и искусственно – такие процессы называются ядерными реакциями.

Первую ядерную реакцию произвел Эрнест Резерфорд (тот самый, который отрыл ядерную модель атома) в 1919 году. При столкновении ядер азота с альфа-частицами у него получились ядро атома кислорода и ядро атома водорода:

¹⁴N + ⁴He → ¹⁷O + ¹H

Ядро атома водорода оказалось новой элементарной частицей, входящей в состав атомных ядер – протоном. Протон имеет атомную массу, электрический и барионный заряды, равные единице. Заряд ядра атома и, соответственно, номер места атома в таблице Менделеева равны числу протонов в ядре.