Радиоактивность — самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер. Он сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер гелия (α‑частиц) и превращением изотопа одного элемента в изотоп другого.
Радиоактивные семейства тория ‑232, урана‑235 и урана‑238.Французский ученый Антуан Беккерель летом 1835 г. в Венеции наблюдал исключительную по красоте фосфоресценцию Адриатического моря. Спустя 61 год это явление послужило одной из путеводных нитей, позволивших его внуку Анри Беккерелю открыть явление радиоактивности. Лучи, обнаруженные В. Рентгеном в 1895 г., также привлекли внимание Анри Беккереля тем, что они вызывали фосфоресценцию различных веществ. Возникло предположение, что фосфоресценция, в свою очередь, сопровождается испусканием рентгеновских лучей. Желая проверить это предположение, Анри Беккерель исследовал двойной сульфат уранила и калия — сильно фосфоресцирующее соединение. Оказалось, что оно и без предварительного освещения испускает лучи ранее неизвестной природы.
Это наблюдение Анри Беккерель сделал 1 марта 1896 г. В мае он выяснил: ответственным за испускание новых лучей является элемент уран — в то время последний элемент периодической системы химических элементов.
М. Склодовская‑Кюри назвала эти лучи радиоактивными, а само явление их испускания — радиоактивностью. Она же обнаружила это явление у тория и вместе с мужем П. Кюри выделила из урановых минералов два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Начиная с 1899 г. различные ученые стали обнаруживать новые радиоактивные вещества всё в больших количествах, например актиний, эманации (см. Радон) и др. Как правило, эти вещества имели очень короткие периоды полураспада (время, за которое распадается половина любого радиоактивного вещества), и потому ученые даже сомневались, являются ли эти вещества химическими элементами в обычном понимании. Тем более что число свободных мест в периодической системе между висмутом и ураном было весьма ограниченно.
Огромный вклад в изучение радиоактивности внес английский ученый Э. Резерфорд. Вместе с английским радиохимиком Ф. Содди он доказал, что радиоактивность сопровождается самопроизвольной превращаемостью химических элементов. Например, радий, испуская а‑частицу, превращается в радон. К 1913 г. обилие радиоактивных веществ (около 40) было сведено в три радиоактивных семейства, представляющих собой цепочки последовательных превращаемостей родоначальников рядов (урана‑238, урана‑235 и тория‑232) в стабильный свинец (см. Радиоактивные элементы). Среди радиоактивных веществ оказалось несколько групп веществ, химически неразличимых, но разных по массе. Они были названы изотопами. Открытие радиоактивных элементов фактически было открытием отдельных естественных радиоактивных изотопов: ведь все члены радиоактивных семейств являются изотопами урана, тория, протактиния, актиния, радия, радона, полония, свинца. В то же время все стабильные элементы были первоначально открыты как природные смеси изотопов.
Существует несколько видов радиоактивных превращений. Это α‑распад (испускание α‑частицы), β−‑распад (испускание электрона) и спонтанное деление ядер. Испускание γ‑лучей не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращения элементов), а представляет собой электромагнитное излучение малых длин волн. Эти виды наблюдаются в природе.
В 1934 г. супруги И. и Ф. Жолио‑Кюри обнаружили явление искусственной радиоактивности. В результате ядерных реакций могут быть получены искусственные радиоактивные изотопы всех элементов периодической системы. Их известно теперь около 1800. Изучение искусственных радиоизотопов позволило обнаружить новые виды радиоактивных превращаемостей: испускание позитрона, или β+‑распад, и K‑захват (поглощение ядром электрона с ближайшей электронной K‑оболочки) (см. Атом). Предсказана и доказана возможность протонной (испускание протона) и двупротонной (испускание двух протонов одновременно) радиоактивности.
В 1982 г. американские ученые экспериментально доказали, что некоторые ядра способны сразу испускать два протона. Это так называемая двупротонная радиоактивность, которая была предсказана еще в 1960 г. советским физиком В. И. Гольданским. А в конце 1983 г. английские физики Г. Роуз и Г. Джонс обнаружили совершенно удивительный вид радиоактивности — испускание ядрами изотопа 223Ra тяжелых частиц — ядер 14C. Это открытие вызвало огромный интерес и породило обширный цикл исследований в разных странах, в том числе и в СССР. Оказалось, что помимо «углеродной» радиоактивности существует и «неоновая»: ядра некоторых изотопов протактиния и урана, кроме обычной, присущей им α‑активности, способны испускать ядра неона. Новый вид радиоактивности именуют «фрагментарным» или кластерным. Ныне известно лишь восемь ядер, испускающих ядра углерода или неона. Это четыре изотопа радия (вылетают ядра углерода) и четыре изотопа урана и протактиния (ядра неона). Эксперименты в этой области стремительно развиваются. Теоретики пока еще не имеют единой точки зрения в объяснении этого редкого, но чрезвычайно интересного вида радиоактивного распада. Вероятно, в арсенале природы хранится еще большее число способов радиоактивных распадов, чем мы себе представляем в настоящее время.
Явление радиоактивности характеризуется тремя факторами: 1) скоростью радиоактивного распада; 2) видом испускаемых частиц и 3) их энергией. Скорость распада выражается простой математической формулой:
Nt = N0•e−λt.
В ней Nt — число атомов радиоактивного элемента в момент времени t; N0 — число атомов в начальный момент времени (t = 0), е — основание натуральных логарифмов, а λ — это так называемая постоянная радиоактивного распада. Она связана с периодом полураспада T соотношением:
λ = ln2/T
Величины периодов полураспада известных радиоактивных изотопов заключаются в очень широком временном интервале — от тысячных долей секунды до миллиардов лет. Однако большинство изотопов характеризуются периодами полураспада от 30 с до 10 дней.
Самый распространенный вид радиоактивных превращений — испускание электронов, или β−‑распад. Он свойственен 45% всех известных радиоактивных изотопов и наблюдается у ядер с избытком нейтронов, т. е. у тяжелых радиоактивных изотопов элементов. Более 15% радиоактивных ядер распадаются путем испускания α‑частиц; α‑распаду подвергаются изотопы элемментов конца периодической системы (начиная с висмута), а также некоторых элементов её середины (начиная с редкоземельных). Для более легких элементов а‑распад энергетически невозможен.
Спонтанное деление в природе встречается у изотопов 238U и 232Th; оно становится существенным у изотопов трансурановых элементов по мере роста Z — заряда атомного ядра.
Позитронный распад и K‑захват наблюдаются фактически лишь у искусственных радиоактивных изотопов и характерны для ядер с недостатком нейтронов. Около 10% изотопов подвержены β+‑распаду (в основном это изотопы элементов первой половины периодической системы). На долю электронного захвата приходится примерно 25% наблюдавшихся радиоактивных превращаемостей (они в большей степени свойственны изотопам элементов второй половины таблицы Менделеева, в атомах которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру).
Изучение радиоактивности сыграло огромную роль в создании современных представлений о строении и свойствах материи.
