Kvant. Радиоактивность

Кикоин А.К. Опыты Резерфорда и явление радиоактивности //Квант. — 1985. — № 4. — С. 20-22.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Опыты Резерфорда, о которых рассказывается в § 93 «Физики 10», двояко связаны с явлением радиоактивности. С одной стороны, в этих опытах для бомбардировки атомов тяжелых элементов использовались положительно заряженные быстрые альфа- частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Радиоактивность, таким образом, дала «инструмент» для опытов. С другой стороны, результаты опытов Резерфорда, приведшие к созданию планетарной модели атома, позволили подойти к объяснению самого явления радиоактивности, до того бывшего в высшей степени загадочным.

Из опытов Резерфорда выяснилось, что атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра, размеры которого в десятки или даже сотни тысяч раз меньше размеров атома, и отрицательно заряженных электронов, образующих электронную оболочку. При этом оказалось, что электрический заряд ядра, если его выразить через заряд электрона, принятый за единицу, равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. В символической записи ядер их заряд выражается порядковым номером, который записывается в виде нижнего индекса при символе элемента. Верхний же индекс обозначает массу ядра, выраженную в атомных единицах массы. Например, ядра атомов железа и золота символически записываются так:

\(~^{56}_{26}Fe ;\ ^{197}_{79}Au\) .

Радиоактивность — явление ядерное

В какой же части атома — ядре или электронной оболочке — происходят процессы, приводящие к испусканию радиоактивных излучений (альфа-, бета- и гамма-излучений)?

Нетрудно понять, что все дело в атомном ядре. Это видно, во-первых, из того, что один из видов излучения — альфа-излучение — это поток быстрых положительно заряженных частиц, а таких частиц в электронной оболочке просто нет. Правда, другой вид излучения — бета-излучение, состоящее из электронов,— в принципе мог бы исходить и из электронной оболочки. Однако, и это, во-вторых, энергия бета-частиц столь велика (она достигает миллионов электронвольт), что электронная оболочка такую энергию сообщить явно не может. Известно, например, что при химических реакциях, в которых атомы участвуют своими электронными оболочками, энергия, приходящаяся на один атом, равна примерно 1 эВ. Энергия квантов видимого света, которые несомненно возникают в электронной оболочке, тоже около 1 эВ. Только энергия квантов рентгеновских лучей (они также испускаются электронной оболочкой) может достигать тысяч и даже десятков тысяч электронвольт. Миллионов же электронвольт электронная оболочка «своим» электронам сообщить не может.

Таким образом, и альфа- и бета-частицы могут испускаться только в результате каких-то процессов в атомном ядре. То же можно сказать и о гамма-излучении.

Радиоактивные превращения

Итак, радиоактивные излучения испускаются ядрами атомов радиоактивных элементов. Заряд же ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Тогда из закона сохранения электрического заряда прямо следует, что когда какое-нибудь ядро испускает заряженную частицу, заряд ядра должен измениться. А это значит, что оно превращается в ядро атома другого элемента, занимающего другую клетку таблицы.

Как выяснилось, альфа-частица обладает положительным электрическим зарядом, вдвое большим заряда электрона, и массой, вчетверо большей атомной единицы массы. Поэтому ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро атома элемента, у которого порядковый номер на две единицы меньше исходного, а масса меньше на четыре единицы. Если, например, радиоактивный элемент полоний с порядковым номером 84 и относительной атомной массой 218 испускает альфа-частицу, то оц превращается в ядро атома элемента, занимающего клетку номер 82 таблицы (это свинец) с относительной атомной массой 214:

\(~^{218}_{84}Po \to\ ^{214}_{82}Pb + \alpha\) .

Поскольку α-частица представляет собой ядро атома гелия, этот процесс можно записать иначе:

\(~^{218}_{84}Po \to\ ^{214}_{82}Pb + \ ^4_2He\) .

Происходит, как говорят, распад ядра полония на две части — ядро свинца и ядро гелия.

Несколько иначе обстоит дело при испускании ядром бета-частицы, то есть быстрого электрона. Оно приводит не к уменьшению заряда ядра, а к его увеличению на одну единицу и, следовательно, к превращений его в ядро атома, порядковый номер которого на единицу больше исходного. Что касается массы, то она при таком превращении практически не изменяется, так как масса электрона в тысячи раз меньше массы любого ядра. С испусканием бета-частицы распадается, например, радиоактивный свинец \(~^{214}_{82}Pb\):

\(~^{214}_{82}Pb \to\ ^{214}_{83}Bi + \beta\), или \(~\ ^{214}_{82}Pb \to\ ^{214}_{83}Bi + \ ^0_{-1}e\) .

Все такие превращения происходят так, что суммы нижних и верхних индексов по обе стороны стрелки, обозначающей превращение, равны друг другу.

Радиоактивные ряды

Если радиоактивное излучение сопровождается превращением ядер атомов в другие ядра, то естественно возникает вопрос — почему же до сих пор существуют радиоактивные вещества? Если, например, радий (порядковый номер 88), испускающий альфа-частицы, превращается в элемент с номером 86, то почему он не исчез с лица Земли? Наверное, потому, что он сам есть продукт распада какого-то другого элемента, превращающегося в радий.

Раз радиоактивные элементы до сих пор существуют на Земле, значит, есть, по крайней мере, один радиоактивный элемент, который распадается настолько медленно, что за время существования Земли он не успел исчезнуть. Он-то, этот элемент, и «виноват» в том, что существуют и он сам, и тот элемент, в который он превращается (так сказать, его «сын»), и тот элемент, в который превращается этот «сын», и т. д.

Физики выяснили, что такие очень медленно распадающиеся элементы действительно существуют. Один из них — уран с порядковым номером 92 и относительной атомной массой 238. Он служит родоначальником одного из рядов (семейств) радиоактивных элементов, приведенного на рисунке. Над линиями в этом ряду, обозначающими превращения, указаны испускаемые частицы, а под ними — периоды полураспада, то есть промежутки времени, в течение которых распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер. В результате четырнадцати последовательных распадов уран превращается в конце концов в свинец с относительной атомной массой 206. Это — стабильный (не радиоактивный) свинец, в отличие от свинца с массами 214 и 210.

Изотопы

Приведенный здесь радиоактивный ряд показывает, что существуют атомы одного и того же химического элемента с различными относительными атомными массами. Так, \(~^{214}_{82}Pb,\ ^{210}_{82}Pb,\ ^{206}_{82}Pb\) — это ядра атомов свинца, поскольку у всех трех ядер один и тот же заряд и, значит, они занимают одну и ту же клетку в таблице Менделеева. Такие атомы — с одинаковым зарядом ядра, но с разными массами — получили название изотопов. Как химические элементы они не отличимы друг от друга. Но свойства их ядер, например радиоактивные, совершенно различны.

В рассмотренном радиоактивном ряду есть не только изотопы свинца, но и урана, тория, полония, висмута. Вообще, если ядро испытывает последовательно одно альфа-превращение и два бета-превращения, то в результате непременно появляется изотоп исходного элемента.