Как объясняется радиоактивность современной наукой?

Существует наука с довольно скучным названием -изотопная статистика. Она наводит строгий бухгалтерский учет для тысячи с лишним радиоактивных изотопов.

Вспомним, какие виды радиоактивных превращений нам известны. Это а-распад, бета-распад и спонтанное (самопроизвольное) деление. Обратим особое внимание на р-распад. Изотопная статистика подсчитала, что около 80% всех радиоактивных изотопов распадается по типу р-распада.

Этот распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений. Первый вид — испускание электрона бета^--распад), второй вид — испускание позитрона бета⁺-распад), третий вид обнаружил в 1937 г. американский ученый Луис Альварец. Оказалось, что некоторые ядра могут поглощать электроны с ближайших к ядру электронных оболочек. Заряд ядра-поглотителя, как и при бета⁺-распаде, уменьшается на единицу. Природная радиоактивность ка-лия-40 как раз.связана с тем, что ядром этого изотопа поглощается орбитальный электрон (см. рисунки 5 и 11 в ст. «Великий закон"). Если электрон поглощается ядром с К-оболочки (ближайшей к ядру), то это так называемый /(-захват; если со следующей L-оболочки — это L-захват. Но он встречается крайне редко. Значит, в процессах р-распада обязательно участвует либо электрон, либо его электрический антипод — позитрон.

Ядра состоят только из протонов и нейтронов. И тем не менее при бета^-- или при бета⁺-распадах из ядер вылетают электроны и позитроны. Модель ядра не приемлет электроны, а между тем электрон поглощается ядром при орбитальном захвате. Как же это понять?

А если допустить, что ядерные протоны и нейтроны не неизменны и способны превращаться друг в друга? Ядерный нейтрон может превращаться в протон, при этом вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу. Тут происходит бета^--распад. Ядерный протон, в свою очередь, может стать нейтроном, а положительный заряд уносится вместе с позитроном. Заряд ядра станет на единицу меньше. Здесь мы имеем дело с бета⁺-распадом. Заметим, что одновременно с позитроном или электроном вылетает элементарная частица нейтрино v (или антинейтрино v). Мы можем записать эти распады в виде схем :

А процесс орбитального захвата можем изобразить так:

Выходит, что при бета^--распаде ядро, теряя нейтрон, приобретает лишний протон, а при бета⁺-распаде и орбитальном захвате оно, наоборот, меняет протон на нейтрон. Механика на первый взгляд очень несложная. Но почему тогда далеко не все ядра подчиняются этой механике?

Важнейшее условие устойчивости атомных ядер -отношение числа содержащихся в них нейтронов к числу протонов (п : р). Оно приблизительно равно 1 у изотопов легких элементов и достигает 1,6 у тяжелых. Только при определенных значениях отношения п : р ядра устойчивы. При других же отношениях они способны к бета-распаду.

Неустойчивы ядра с большим числом нейтронов -у них велико отношение п : р. Как оно может уменьшиться? Только если п станет меньше, а р - больше, если нейтрон превратится в протон, испустив электрон, т. е. путем бета^--распада. Поэтому все тяжелые изотопы с избытком нейтронов оказываются бета^--активными. Когда же отношение п : р мало, то у ядра появляется стремление заменить протон на нейтрон и, испустив позитрон, восстановить равновесие. Легкие радиоактивные изотопы химических элементов надо считать приверженцами бета⁺-распада.

Орбитальный захват - это тоже привилегия легких изотопов, стремящихся к обмену протона на нейтрон. Но встречается он главным образом у элементов, у которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру, т. е. у элементов в середине и в конце периодической системы.

Почему же ядра остаются устойчивыми при каких-то "избранных" отношениях п : р? Может быть, эта устойчивость мнимая и ядра даже при этих соотношениях в очень слабой (необнаруженной пока) степени радиоактивны? Или же вся эта схема лишь весьма грубое приближение к действительности -своего рода "рабочая модель"?

Словом, на вопрос: "Что такое радиоактивность? " - в наше время исчерпывающего ответа еще нет. Обратимся теперь к другим видам радиоактивного распада. Альфа-распад - явление частое среди радиоактивных изотопов. И главным образом у элементов конца периодической системы. Вылет а-частицы сопровождается изменением массы исходного ядра на 4, а заряда - на 2 единицы. Поэтому долгое время считалось, что к а-распаду способны только самые тяжелые, наиболее сложные ядра - ядра элементов начиная со свинца и висмута.

Каково же было удивление ученых, когда они установили, что а-распад может быть у многих изотопов редкоземельных элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева! Отдельные изотопы лантана и церия, празеодима и неодима, самария и гадолиния, диспрозия и тербия по странной прихоти природы охотно теряют а-частицы.

Оправдать эту прихоть помогла так называемая оболочечная модель атомного ядра. Протоны и нейтроны слипаются в ядерный комок не в беспорядке, заявили ученые. Напротив, составные частицы ядра должны располагаться в строгом порядке. Подобно тому как электроны в атомах распределяются по оболочкам, ядерные протоны и нейтроны также разложены по "полочкам" с разными уровнями энергии, и на эти "полочки" вмещаются строго определенные количества протонов или нейтронов - 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ядра, содержащие такие количества частиц, получили название магических, их можно считать своеобразными "инертными газами" в периодической системе изотопов (подробнее об этом см. в ст. "Великий закон").

Ядра изотопов редкоземельных элементов содержат количества нейтронов, близкие к "магическому" числу 82. И эта близость, как доказали физики, способствует нарастанию вероятности а-распада. Поэтому в области редкоземельных элементов наблюдается первая на протяжении периодической системы "вспышка" а-активности. В районе классических а-излучателей (элементы конца таблицы Менделеева) дает себя знать близость оболочки из 126 нейтронов. В целом 16% радиоактивных изотопов распадаются, испуская а-частицы.

Спонтанное (самопроизвольное) деление - это самый кардинальный тип радиоактивных превращений. Он встречается только у очень тяжелых ядер. Ему подвержены многие а^--активные ядра, а в особенности изотопы трансурановых элементов. У ядер элементов, находящихся в соседстве с ураном, спонтанное деление - явление очень редкое. Если бы в природе существовало только спонтанное деление, то, например, из 1 г изотопа тория-232 осталось бы 0,5 г за колоссальный срок, который даже трудно себе представить, - 10²¹ лет. Этот изотоп распадается гораздо быстрее благодаря а-распаду.

С ростом заряда в ядре вероятность самопроизвольного деления стремительно нарастает, и, например, у изотопа менделевия-256 (порядковый № 101) период полураспада по спонтанному делению равен всего 30 мин. Физики установили четкий критерий способности ядра к самопроизвольному делению. Он измеряется отношением квадрата заряда ядра Z к атомной массе А (массовому числу) изотопа. Как только величина Z² : А достигает значения 44,5, самопроизвольное деление становится вероятным.

Оболочечная модель ядра не может объяснить механизм спонтанного деления. Приходится привлекать для этого другую модель - капельную. Ученые давно проводили аналогию между свойствами ядра и свойствами капли жидкости. Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она может разделиться на более мелкие капли. Подобным же образом и ядро, если оно, как говорят физики, придет в возбужденное состояние, способно делиться - либо под действием нейтронов, либо самопроизвольно.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Снимок сделан 26 сентября 1936 г. В этот день ученые были в гостях в Москве в Физико-химическом институте им. Л. Я. Карпова.

Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958)

Французский физик и прогрессивный общественный деятель, член Парижской академии наук и академий наук ряда стран, в том числе член-корреспондент Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии (1935), председатель Всемирного Совета Мира (с 1951 г.), лауреат международной Ленинской премии "За укрепление мира между народами" (1951). Совместно с И. Жолио-Кюри открыл явление искусственной радиоактивности, а также новый вид радиоактивности - позитронную радиоактивность (1934). Экспериментально доказал возможность превращения света в вещество. Ф. Жолио-Кюри провел исследования, которые привели к открытию нейтрона, первый (в середине 1939 г.) определил число вторичных нейтронов (больше двух), вылетающих при делении ядра атома урана. Он показал принципиальную возможность цепной реакции с освобождением атомной энергии.

Ирен Жолио-Кюри (1897-1956)

Французский физик, член-корреспондент Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии (1935), дочь П. Кюри и М. Склодовской-Кюри. Совместно с мужем Ф. Жолио-Кюри открыла явление искусственной радиоактивности (1934), экспериментально доказала возможность превращения света в вещество, открыла новый тип радиоактивности - позитронную радиоактивность. Один из искусственных радиоактивных элементов был назван в честь ученых двух поколений - кюрием.

перейти к началу страницы