Файл: Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация.pdf

ко на том, что нужно будет для последующего изложе­ ния.

Электроны в атоме, протоны и нейтроны в ядре атома движутся не беспорядочно. Они размещаются на точно определенных оболочках, атом при этом обладает опре­ деленной энергией. Если каким-нибудь способом пере­ дать атому какое-то количество энергии, то последнюю получат электроны атома — это главное. Однако, как выяснилось, атом может принимать энергию только опре­ деленными порциями — квантами. Поглощается ее ров­ но столько, сколько необходимо, чтобы электрон смог переместиться на более высокую орбиту. Атом при этом перемещении перейдет в новое квантовое состояние. Для такого перемещения необходимо строго определенное количество энергии. В случае, когда энергии меньше, электрон не изменит своего движения, атом не поглотит энергию. Если энергии очень много, атом возьмет ровно столько, сколько необходимо для перехода, остальная часть останется непоглощенной. Эти переходы атома из одного состояния в другое связаны с так называемыми энергетическими уровнями, квантовыми состояниями атома. Атом, который находится в невозбужденном со­ стоянии, после получения дополнительной энергии пе­ рейдет в возбужденное состояние. Подчеркнем еще раз — такое состояние у каждого атома точно определенное и ни в каких других промежуточных состояниях атом пре­ бывать не может. Это и есть одна из особенностей кван­ товых систем микромира.

После того как атом перешел в возбужденное состоя­ ние, проходит некоторое время и атом разряжается. Элек­ трон скачком переходит на более низкую орбиту, а изли­ шек энергии атом отдает в виде электромагнитного излу­ чения. Например, это могут быть рентгеновские лучи или видимый свет.

10 |

Атомное ядро также является квантовой системой, ко­ торая подчиняется тем же правилам. Существуют опре­ деленные энергетические уровни ядра. Оно не может быть возбуждено произвольно, принимается лишь опре­ деленная порция энергии. Если ядро находится в одном из своих возбужденных состояний, то через некоторое время происходит возвращение ядра в первоначальное, основное состояние — с минимально возможной для это­ го ядра энергией. В случае такого перехода возникает, как и в атоме, электромагнитное излучение. Однако ча­ стота ядерного электромагнитного излучения намного выше. Такое излучение называют гамма-излучением.

На рис. 2 показан пример типовых схем энергетиче­ ских состояний атома и ядра. Масштабы на этих схемах разные. В атоме возбуждение измеряется электронвольтами, а в ядре — сотнями килоэлектронвольт. Для воз­ буждения ядра необходима энергия в сотню тысяч раз большая, чем для атома.

Атом с таким энергетическим спектром, как на рис. 2, не может быть возбужден, если энергия возбуждения меньше 2 эв. Лишь при энергии большей 2 эв атом можно перевести в более высокое энергетическое состояние. Что же касается ядра, то лишь при энергии 45 кэв оно сможет перейти в первое возбужденное состояние — Е и меньшие энергии не вызовут изменений в состоянии ядра. Для того чтобы достичь второго возбужденного состояния, Д2, необходима энергия около 200 кэв. Ни в каких иных про­ межуточных состояниях ядро в принципе находиться не может.

Если ядро находится в одном из возбужденных со­ стояний, например в Д2, то через некоторое время такое состояние изменяется. Излучается один или несколько гамма-квантов и система переходит в более низкое энер­ гетическое состояние. Такие переходы системы из одного

Ц

состояния в другое показаны на рис. 2 стрелками. Из состояния Е2 переход может быть осуществлен непосред­ ственно в основное состояние, однако может быть также

Рис. 2. Типичные схемы энергетических состояний атома и ядра. Горизонтальными линиями показаны уровни энергии, возможные для данной квантовой системы;

чением одного гамма-кванта, а затем уже — в основное состояние с излучением второго гамма-кванта.

Энергия гамма-кванта определяется по закону сохра­ нения энергии. Дальше мы будем рассматривать конкрет­ ные примеры энергетических спектров атомных ядер.

12

Л

Из таблицы изотопов (см. рис. 1) видно, что в ядрах элементов, расположенных в начале периодической таб­ лицы Менделеева, находится приблизительно равное ко­ личество протонов и нейтронов. В тяжелых элементах ядра имеют некоторый излишек нейтронов по сравнению с количеством протонов. Отношение количества нейтро­ нов к количеству протонов, например, в свинце достигает величины 1,5.

Отклонение в ту или иную сторону от указанных соот­ ношений вызывает нестойкое состояние ядра — радио­ активность. Мы познакомились выше с двумя стабиль­ ными изотопами водорода. Имеется еще и третий — ]Н3 (тритий — Т), у которого А= 3. Это — нестойкое ядро, которое, через некоторое время после того как оно обра­ зовалось, распадается.

Дальше мы встретимся с различными примерами та­ кого рода нестойких, радиоактивных ядер. Радиоактив­ ных ядер, встречающихся в природных условиях, извест­ но сравнительно мало. Большее количество их создано искусственным путем на ускорителях ядерных частиц и в процессе различных реакций в атомных реакторах. С развитием атомной промышленности искусственные радиоактивные изотопы начали получать в значительных количествах. Это и обусловило возможность их широкого применения.

¡Щ- ■

Что такое радиоактивность?

Явление радиоактивности атомных ядер открыл в 1896 г. А. Беккерель, который впервые обнаружил, что некоторые соединения урана испускают невидимое излу­

13

чение, действующее на фотопластинки. Открытое излу­ чение имело целый ряд удивительных свойств, оно появ­ лялось лишь в тех случаях, когда в состав вещества вхо­ дил уран, и было непрерывным. Для появления излуче­ ния не нужно было никакого электрического напряжения, в отличие от рентгеновских лучей, которые возникали в высоковольтных трубках.

Вскоре Пьер и Мария Кюри открыли, что уран не единственный элемент, для которого характерно излуче­ ние. Открытые ими химические элементы радий и поло­ ний также выделяли лучи. Это свойство некоторых хими­ ческих элементов было названо радиоактивностью, а такие вещества — радиоактивными. Радиоактивность — лучевая активность (луч по-латыни — radius). В резуль­ тате большой и настойчивой работы установлено, что радиоактивное излучение возникает внутри атома — в ядре.

Радиоактивное излучение появляется в результате пе­ рестройки нестойких атомных ядер. Причин неустойчиво­ сти атомных ядер много. Одной из таких причин, в част­ ности, могут быть электрические силы отталкивания меж­ ду протонами (они одноименно заряжены) в ядрах тя­ желых элементов. Когда силы электростатического от­ талкивания больше сил, которые связывают протоны и нейтроны в ядре, последнее становится неустойчивым, оно распадается. Неустойчивость ядер объясняется энерге­ тическими закономерностями. Как и любая физическая система, атомное ядро стремится занять такое положение, при котором оно будет иметь минимально возможную энергию, подобно тому как брошенный камень всегда падает на землю, ибо его потенциальная энергия в дан­ ном случае минимальна.

Оказывается, что нестойкие атомные ядра построены энергетически нецелесообразно. Законы сохранения

14

энергии допускают возможность перестройки структуры ядра, при которой возникает система с меньшей энергией, более целесообразная с энергетической точки зрения. В процессе радиоактивного распада происходит выде­ ление энергии. Например, при распаде 1 г радиоактив­ ного радия выделяется приблизительно 140 малых ка­ лорий.

Нестойкие ядра выбрасывают из своих недр ядерные частицы определенного рода. Это могут быть ядра гелия (альфа-лучи), электроны или позитроны (бета-лучи) и, наконец, электромагнитные излучения высокой часто­ ты — гамма-лучи. О свойстве этих излучений пойдет речь дальше, а сейчас рассмотрим основной закон радиоак­ тивного распада.

Допустим, что в нашем распоряжении имеется пре­ парат, в котором есть определенное количество радиоак­ тивных ядер. Через некоторое время часть этих ядер распадается, количество их уменьшается. Такое умень­ шение происходит не хаотично, а по законам радиоактив­ ного распада. Интересно, что каждое радиоактивное ве­ щество распадается самопроизвольно, с определенной, для данного вещества неизменной, скоростью. Нет средств, которые могли бы остановить радиоактивный распад или хотя бы замедлить его или ускорить.

Распад радиоактивных ядер имеет вероятностный ха­ рактер. Это значит, что мы не можем сказать точно, в ка­

IТак, например, невозможно сказать, какой стороной упа­ дет на пол подброшенная монета. При большом количе­ стве подбрасываний в половине случаев она упадет на одну сторону, а в половине — на другую. В таких случаях говорят, что вероятность одного и другого падения рав­ на 1 : 2.

15

Также и в отношении распада атомных ядер — суще­ ствует определенная вероятность, потенциальная воз­ можность того, что данное ядро распадется. Обратим особое внимание на то, что предсказание бывает верным и подтверждается лишь при большом количестве собы­ тий. Также и при распаде радиоактивных ядер можно точнее назвать количество ядер, которые распадутся, лишь в том случае, когда радиоактивных ядер будет много. Здесь нет противоречия со сказанным о строгом «графике» распада и определенной скорости последнего. Мы не можем гарантировать, что в какой-то момент рас­ падется определенное ядро, об этом можно говорить, только ссылаясь на долю вероятности успеха такого предсказания. Между тем при наличии большого коли­ чества радиоактивных ядер предсказание будет довольно точным.

Точное предсказание касается судьбы не ядра отдель­ ного атома, а совокупности радиоактивных ядер. Мате­ матические законы дают возможность определить, сколько неустойчивых ядер из общего их количества рас­ падается, а какие именно — нас не интересует.

Количество ядер, которые распадаются за небольшой промежуток времени, пропорционально общему количе­ ству радиоактивных ядер и продолжительности времени, за какое происходит распад. Чем больше неустойчивых ядер, тем больше их распадается. Чем больше пройдет.. времени, тем больше шансов на то, что распад ядра про£|

количество ядер, а через какое-то время их станет мень­ ше. Для того чтобы определить количество оставшихся радиоактивных ядер, необходимо определить сумму всех распадов от начала распада до определенного момента времени и отнять ее от первоначального количества ядер.

16

Время, в течение которого распадается половина количе­ ства радиоактивных ядер, называется периодом полурас­ пада и является важнейшей характеристикой каждого радиоактивного изотопа. Эта величина определяет ско­ рость радиоактивного распада.

Периоды полураспада радиоактивных ядер имеют широкие границы — от миллиардов лет до миллиардных частей секунды.

.. • кЛ

Г