> Техника, страница 75 > Радиоактивность

Радиоактивность

Радиоактивность, свойство нек-рых химич. элементов к самопроизвольному распаду на другие элементы. Этот распад сопровождается различными корпускулярными и световыми радиациями. Явление Р. было открыто в 1896 г. Г. Бекерелем. Он обнаружил, что соли U выделяют излучения, действующие на фотографии. пластинку и сообщающие воздуху электропроводность. Дальнейшие исследования показали, что испускание «лучей Бекереля» есть атомное свойство U, не зависящее от того, в каком химич. соединении он находится. Систематич. исследования всех известных элементов обнаружили, что кроме U значительной Р. обладает только Th (Г. Шмит и М. Кюри, 1898 г.). Впоследствии была открыта еще слабая Р. К и Rb. При изучении природных соединений U оказалось, что Р. их значительно больше, чем следует ожидать по содержанию в них U. Высказанная М. Кюри гипотеза, что эта аномалия связана с присутствием в урановых минералах неизвестных сильно радиоактивных элементов, подтвердилась. Путем длительной и кропотливой работы П. и М. Кюри удалось выделить из урановой смоляной руды Иоахимстальского месторождения (Чехо-Словакия) новые элементы Ро (1898 г.) и Ra (1898 г.), Р. которых в большое число раз превосходит P. U. Этим было положено начало открытью ряда новых радиоактивных элементов или радиоэлементов, число которых доходит до 40.

Радиоактивные излучения. По своей природе излучения радиоактивных эле ментов не однородны. В 1902 г. Е. Резерфорд предложил названия а-(альфа), ^-(бета) и у-(гамма) лучей для трех видов радиоактивных излучений, обладающих следующими свойствами: α-лучи образуются положительно заряженными быстро движущимися материальными частичками атомных размеров и слабо отклоняются в электрическом и магнитном поле в сторону, соответствующую отклонению каналовых лучей (смотрите Лучи корпускулярные), они очень сильно поглощаются материей; /8-лучи—частички отрицательного электричества (электроны); они значительно сильнее отклоняются магнитным полем и впол-

Фпг. 1.

не аналогичны катодным лучам (смотрите). Проницаемость их значительно больше, чем у α-лучей; у-лучи не испытывают отклонения в магнитном поле и не несут заряда; они обладают самой большой проницаемостью (фигура 1). α-частицы несут двойной элементарный положительный заряд, равный 9-55Ί0^-10 CGSE-. По своей природе они тождественны с ядром атома гелия; а-ча-стички вылетают из атома с определенной начальной скоростью, характерной для каждого α-излучающего радиоэлемента; эта начальная скорость лежит в пределах 1,4-10⁹— 2,06 · КВ см/ск. В воздухе α-частицы благодаря своей большой массе движутся почти прямолинейно, растрачивая постепенно свою кинетич. энергию при столкновениях с молекулами газа и вызывая сильную ионизацию. α-частицы обладают определенной дальностью полета, пройдя к-рую они теряют свой заряд и способность вызывать характерные действия. Величина этой дальности полета или «пробега» α-частиц зависит от начальной скорости частицы и от поглощающего вещества. Величина пробега а-ча-стицы характерна для каждого радиоэлемента и обнимает периоды 2,67—8,62 сантиметров в воздухе при 0° и 760 миллиметров. В твердых телах а-частицы задерживаются толщиной слоя порядка 0,1 миллиметров. Свойство водяного пара конденсироваться при определенных условиях на ионах позволяет наблюдать и фотографировать пути а-частиц (фигура 2). /3-лучи большинства радиоактивных веществ образуют несколько групп с различными начальными скоростями, распределение которых изучается по отклонению/3-частиц в магнитном поле (спектр /3-лучей).Начальные скорости /8-частиц заклю-Фигура 2. чаются в пределах 8,7 -

• 10⁹—2,947-10¹⁰ см/ск, то есть до 0,988 скорости света. При прохождении через материю /3-лучи рассеиваются значительно сильнее, чем а-лучи, мало изменяя свою скорость. Поглощение их происходит по закону, близкому к простому экспоненциальному I_d=I₀e~^kd, где I_d—интенсивность излучения, прошедшего толщину d, 1₀—начальная интенсивность, к—коэф. поглощения. Характерной величиной может служить толщина слоя какого-либо вещества, например алюминия, поглощающего /?-лучи наполовину. Для раз-

личных /9-лучей величина этого слоя 0,001— 0,05 сантиметров алюминия. Наиболее жесткие /3-лучи RaC поглощаются полностью двумя миллиметров свинца, у-лучи по своей природе совершенно аналогичны рентгеновым лучам и характеризуются длиной волны 10^-9—К)"¹¹ см. Поглощение у-лучей сопровождается рассеянием и появлением вторичных /9- и у-лучей. Приближенно поглощение выражается простым показательным законом Ι=Ι₀β~^μΧ, причем в первом приближении удовлетворяется соотношение ^=Consi, где о—плотность поглощающего вещества. Величина μ для у-лучей различных радиоэлементов колеблется от 1 000 до 0,12, чему соответствует толщина слоя РЬ, поглощающего лучи наполовину, 10"⁴—5,5 см.

Теория радиоактивного распада. Для объяснения радиоактивных явлений Резерфорд и Содди предложили в 1902 г. теорию атомного распада, полностью подтвержденную дальнейшими экспериментами. Атомы радиоактивных элементов являются неустойчивыми образованиями и подвержены самопроизвольному распаду, подчиненному закону случайности. При этом освобождается внутриатомная энергия в виде излучений, атом же претерпевает превращение, переходя в другой химич. элемент с совершенно иными свойствами, например металл Ra превращается в НаЕт—инертный газ. Основной закон радиоактивного распада формулируется след, обр.: количество вещества AN, распадающегося в элемент времени Δί, пропорционально наличному его количеству N и промежутку времени Δί, то есть ΑΝ=-λΝΑΐ, или Nt=Nое ^λί, где Ν₀— начальное количество, JV>— количество для момента ί. Коэф. пропорциональности λ носит название радиоактив-ной постоя н-н о й, или константы распада радиоэлемента. Более наглядно каждый радиоэлемент характеризуется периодом полураспада, то есть промежутком времени, в течение которого начальное количество его уменьшается наполовину, или же средней продолжительностью жизни т. Период полураспада Т, средняя продолжительность жизни т и радиоактивная постоянная λ связаны между собой след, обр.: Т—

= 0,6931т—0,6931 j. Для различных радиоэлементов

Д=1*3-10-*5-Моп ск., соответственно Τ=5,2·10*? ск. (1,65·10*ο лет)-г-10“*1 ск. Между Я и величиной пробега α-лучей R существует найденное эмпирически Гейгером и Нуталлом соотношение lg Я=А + В lg R, где А и В—константы. Графическое изображение закона Гейгера и Нуталла дает для трех радиоактивных семейств U—Ra, Th и Ас три параллельные прямые. Этим законом приходится пользоваться между прочим для определения радиоактивных констант быстро распадающихся веществ.

Явления радиоактивного распада, сопровождаемого вылетом из ядра атома а- и /3-частиц, дали первое доказательство сложного строения атомного ядра, заключающего в качестве структурных элементов электроны, протоны и ядра Не. Закономерности, наблюдаемые в распределении длин волн у-лучей и скоростей 0- и α-частиц, указывают на существование в ядре устойчивых состояний, соответствующих определенным уровням энергии, у-излучения повидимому свя--заны с внутриядерными переходами α-частиц с одного уровня энергии на другой, причем длина волны у-луча определяется из квантовых соотношений. При радиоактивном превращении, сопровождаемом вылетом α-частицы из ядра, она должна пройти через уровень потенциальной энергии, значительно превышающий собственную энергию частички, которой она обладает в ядре. С точки зрения классич. теории невозможно объяснить вылет α-частички из ядра через этот «потенциальный барьер». Теории радиоактивного распада, основанные на принципах волновой механики, описывают движение α-частиц при помощи волновой функции, причем α-излучение является результатом постепенного проникновения волновой функции через вышеупомянутый потенциальный барьер. Цри этом можно найти теоретическое выражение для связи скорости α-частиц с константой распада атома, удовлетворяющее опытным данным. Принимая, что а-ча-стички в ядре атома обладают той же величиной энергии, с какой они покидают ядро при распаде, мы получаем исходную величину для оценки абсолютных значений уровней энергии в ядре атома. Эти величины порядка 10⁶V (в обозначениях атомной физики). 0-излучения радиоактивных элементов образуют, с одной стороны, группы электронов определенных скоростей, по всей вероятности появляющихся в резуль тате фотоэффекта, вызываемого у-излучением ядра в электронных оболочках атома, с другой стороны, 0-частички, вылетающие из ядра, обладают скоростями самых различных значений (непрерывный магнитный спектр у-лучей). Часто за α-превращением в ряду-распада следуют два 0-превращения, что ложно истолковать нарушением устойчивости электронных уровней в ядре при уменьшении числа «-частиц. Энергетические взаимоотношения в ядре, связанные с 0-из-лучением, представляются еще не вполне ясными.

При распаде радиоактивного атома получается б. ч. также радиоактивный элемент. Т.о.образуются ряд ы распада, или радиоактивные семейст-в а, последовательно превращающихся радиоэлементов. Закон радиоактивного распада дает возможность-рассчитать количество любого из членов ряда для каждого момента времени при заданных начальных условиях. На практике важнее всего следующие случаи. 1) Распад отдельного радиоэлемента, например· RaEm; количество радиоэлемента.в любой момент выразится так: Л7=^1 Г₀е~^х^, начальное количество (при ί=0). 2) Образование из радиоэлемента с весьма большой продолжительностью жизни (количество к-рого· за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется), например образование TJX (период полураспада 24 дня) из U (период полураспада 10Элет). В этом случае количество атомов образующегося элемента Л^г2 для момента ί выразится через число атомов материнского элемента Νχ и соответствующие константы распада так:

No,.

(ι-β-Μ*).

3) Случай радиоактивного равновесия, когда сохраняется постоянное отношение чисел атомов последовательных элементов в ряду распада. В этом случае сбблюдаются равенства: Νιλ=Ν₂λ₂=.=N^k* если рассматриваемый ряд содержит к элементов (фигура 3,

о 4 в 12 /в го гь 28

-- Время в дйяу

Фигура 3.

А—нарастание и В—распадение ThX). Превращение радиоэлементов всегда сопровождается а- или 0-из-лучением. Неизвестно ни одного случая, когда радиоактивное превращение сопровождалось бы только одним у-излучением.

Изучение радиоактивных превращений привело к открытью большого числа новых элементов. При попытках разместить радиоэлементы в периодич. системе возникли затруднения, т. к. число свободных мест оказалось недостаточным. Эти затруднения удалось преодолеть в результате изучения химических особенностей радиоэлементов. Болтвуд, открывший в 1906 г. новый радиоактивный элемент ионий, показал, что его химич. свойства совершенно совпадают со свойствами элемента тория. Далее подобная химич. идентичность была обнаружена у ряда радиоэлементов (Ra и MsTh, РЬ, RaB, ТЬВ, АсВ и др.), и в 1910 году Содди высказал мысль, что эти элементы обладают принципиально одинаковыми свойствами, и их разделение методами химии невозможно. Группа таких неразличимых химически элементов называется по предложению Фаянса плеядой, а сами элементы по предложению Содди изотопам и, т. к. они занимают одно и то же место в периодич. системе. Тогда же Содди предположил, что и нерадиоактивные элементы могут являться смесью принципиально неразделимых элементов разного ат. в., чем и объясняются дробные значения ат. в большинства элементов. Эта идея Содди нашла себе блестящее подтверждение в работах Астона, открывшего методом положительных лучей изотопы обычных элементов. Понятие изотопии позволило разместить все радиоэлементы в периодич. системе. Они обнимают 10 плеяд, расположенных в двух последних рядах периодич. системы (фигура 4). Характерными элементами, или доминантам и, плеяды радиоактивных изотопов служат элементы с наибольшей продолжительностью жизни, или устойчивые элементы. При этом пять из них: Ra,

Em, Po, Ac и Pa являются новыми элементами, занявшими свободные места в периодпч. системе, остальные же попадают на места, занятые ранее известными радиоэлементами U и Th и неактивными РЬ, Т1, Bi. Наибольшая разница в ат. в радиоактивных изотопов не превосходит 8 единиц. Т. о. радиоактивные превращения позволили глубже вникнуть в фи-

злч. смысл периодич. закона и понятия о химии, элементе. Оказалось, что место элемента в периодич. системе определяется не атомным весом элемента, как это принималось ранее, а величиной положительного заряда ядра его атома. Все свойства изотопов, связанные с электронными оболочками атома, в пределах точности наших экспериментов практически одинаковы (атомный объём, t° перехода из одного состояния в другое, термин, изменение размеров, магнитная восприимчивость, спектры и тому подобное.). Они отличаются кроме радиоактивных свойств только теми особенностями, которые связаны с массой ядра, например в тонкой структуре спектра и в ничтожных различиях в константах диффузии. На последнем обстоятельстве основаны попыт-

Эти правила указывают, что Р. есть свойство ядра атома, ибо вылет α-частички, несущей два элементарных положительных заряда, уменьшает на две единицы заряд ядра, что соответствует уменьшению атомного номера на две единицы. /3-частичка уносит-один отрицательный заряд, то есть увеличивает положительный заряд ядра, а следовательно и его атомный номер на единицу. В результате радиоактивных, превращений два различных элемента могут занять одно и то же место в периодич. системе.

Радиоактивные семейства. Все известные нам радиоэлементы образуют три радиоактивных семейства, или ряда: семейство U—Ra, семейство Ас и семейство Th. Ряды U и Th самостоятельны, ряд же Ас по всем данным связан с рядом U—Ra. На фигуре 5 приведена схема радиоактивных семейств с их превращениями. Наибольший практич.интерес представляют радиоэлементы Ra и MsTh, как обладающие весьма большой радиоактивностью и являющиеся источником сильно радиоактивных элементов малой продолжительности жизни (Hanp.RaEpi, ThX и др.). Из других химич. элементов только К и Rb обладают слабой радиоактивностью с испусканием β- и у-лучей. Продукты их превращения неизвестны.

Действия радиоактивных излучений. 1) Все радиоактивные излучения производят ионизацию газов. При этом сильнее всего действуют α-лучи, действие β- и -/-лучей значительно слабее. В меньшей степени ионизация наблюдается у жидких и твердых диэлектриков. 2) Энергия радиоактивных излученийпереходитприпоглощении их материй в тепло. При этом наибольший эффект дают также α-лучи, обладающие максимальной энергией. Теоретически количест

Симзолы и обозначений

=—* обозначает а-превращение.—►обозначает ^-превращение, и-уран. Th-торий. Ра-протактииий. Ва-ргЗий, Lm эманация. 1b-попопии 1о--иинийЛс.-ахтиг<ии.

MsTh-мезоторий. Rath- раЗиоторий, ЯаАс-раоиоактиний

Фигура 5.

ни разделения изотопов, приведшие в результате кропотливой работы к частичному успеху.

При радиоактивном распаде происходит превращение элементов, подчиняющееся следующим правилам сдвига (К. Фаянс). 1) После излучения а-частички элемент смещается на два места влево в периодич. системе. 2) При ^-превращении элемент смещается на одно место вправо (направление стрелок на фигуре 4).

во выделяемого тепла можно под считать, зная:, энергию излучений и кинетич. энергию остатка распавшегося атома. Экспериментально тепловое действие особенно тщательно· изучено для Ra; 1 г Ra выделяет в час 25 cal, а вместе с продуктами распада 170 cal.

3) Сильные радиоактивные препараты светятся сами и вызывают свечение ряда тел. Вспышки на экране сернистого цинка, вызываемые отдельными α-частицами (сцинтилляции), позволяют считать а-частицы, излучаемые радиоэлементами. 4) Многие вещества меняют свою окраску под действием радиоактивнйх излучений. 5) Радиоактивные лучи действуют на фотографии, пластинку. Прикладывая к фотографии, пластинке плохо отшлифованную поверхность куска радиоактивной руды, можно получить радиографию распределения радиоактивных минералов по поверхности образца. 6) Под действием радиоактивных излучений происходят химии, реакции, связанные гл. обр. с вызываемой ими ионизацией; нек-рые действия ^5-лучей на коллоиды объясняются отрицательным зарядом самих /5-частиц. 7) Действие радиоэлементов на живой организм сказывается в виде местных и общих явлений и сильно зависит от дозы. Действие радиоактивных излучений выражается в общем утомлении организма, изменении состава крови (уменьшение числа белых кровяных шариков и др.). При местном воздействии β-лучей больших количеств радиоэлементов может получиться ожог, трудно поддающийся излечению.Молодые клетки наиболее чувствительны к действию излучений. Введение внутрь организма больших количеств радиоэлементов влечет за собой смерть. Незначительные количества радиоэлементов оказывают благотворное действие на организм.

Практические приложения Р. 1) Свойство радиоэлементов ионизировать газы нашло свое применение в изготовлении радиоактивных коллекторов, служащих для измерения электрич. поля, гл. образом при исследованиях атмосферного электричества. Для этой цели употребляются обыкновенно а-излучатели 1о или Ро. Последний приходится периодически возобновлять, т. к. он распадается наполовину в 137 дней. 2) Радиоактивные Em м. б. использованы при •определении газопроницаемости различных веществ. 3) При прохождении α-частип через различные вещества наблюдается при •определенных условиях появление Н-чаети-чек (ядра водорода). Впервые явление это было обнаружено в 1919 году Резерфордом в я-зоте и истолковано как результат разрушения ядра азота при столкновении с а-части-чкой. Дальнейшие работы, гл. обр. сотрудников Резерфорда—Кирша и Петерсона,— .показали, что большое число элементов разрушается под действием α-частиц. О других практич. приложениях Р. см. Радий.

Радиоактивные измерения. Для количественного измерения радиоактивных веществ употребляется почти исключительно метод, основанный на ионизации. В случае очень сильных препаратов возможно пользоваться для измерения. ионизационных токов чувствительным гальванометром. Для измерения же малых количеств радиоэлементов пользуются •электроскопами и электрометрами. Важнейшие схемы применяемых приборов представлены на фигуре 6. 1) Измеренияпо α-л у ч a м. Исследуемое вещество Р. помещается в тонко измельченном виде в плоской чашечке на дно «ионизационной камеры» электроскопа (фигура 6а) или электрометра (фигура 66). Ионизационный ток измеряется по скорости спадания листка электроскопа, отсчитываемой по окулярной шкале микроскопа. При этом необходимо учитывать собственное спадание листка под влиянием дефектов изоляции и ионизации воздуха внутри прибора, определяемое специальным наблюдением в отсутствии радиоактивного вещества. При измерении с электрометром пользуются или методом зарядки или же компенса ционными методами. При измерениях по α-лучам берут обычно слой вещества толщиной порядка 1 миллиметров. Такой слой будет насыщенным для α-излучения, то есть а-лучи из нижних частей уже поглощаются в самом активном веществе и не выходят наружу. При этом измеряемая ионизация приблизительно пропорциональна концентра

ции радицэлементов в препарате. Обычно измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное количество определяемого радиоэлемента, например U в равновесии с продуктами распада. Или фигура 6а. же результаты выражают в урановых единицах, причем под урановой единицей подразумевается одностороннее излучение 1 см² насыщенного для а-лу-чей слоя окиси урана U₃0₈. В абсолютных единицах это соответствует току насыщения 1,73-10”® CGSE. В случае бесконечно тонкого слоя (например активный налет, получаемый в присутствии эманаций на твердых телах и состоящий из продуктов их распада) ионизация пропорциональна количеству радиоэлемента на препарате. 2) Измерения по у-л у-ч а м. Благодаря большой проницаемости у-лучей возможно с их помощью измерить количество радиоэлементов (обычно Ra, RaEm или MsTh) в герметически запаянных препаратах. Измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное ко-HH4ecTBO_Ra. При измерении малых количеств Ra порядка 10 &—10~7 г их помещают внутри прибора специального устройства. При измерении же больших количеств—от 10“·* г и выше—испытуемый препарат помещается на нек-ром расстоянии снаружи прибора. 3) Измерения малых количеств RaEm производятся по α-л учам в электрометре с ионизационной камерой, приспособленной для введения Еш внутрь ее.Обычно приходится измерятьЕш из водного раствора, при этом Em перегоняют в ионизационную камеру с током воздуха посредством циркуляции (фигура 7) или каким-либо иным способом. Далее измеряется ионизация, вызываемая а-лучами Em и продуктов ее распада. Так определяется например содержание RaEm в воде источников. Этот же метод применяется при определении малых количеств Ra в растворе. Исследуемый раствор помещают в газо

промывательную склянку L и освобождают от Em продуванием через него воздуха в течение 10—30 мин. Затем сосуд с раствором герметически закрывают и оставляют на несколько дней для накопления Em. Далее Em переводят в измерительный прибор J, где и определяют ее количество. Накопление эманации происходит по ф-леЕ=Е«>(1 е ^λί), где Е— количество Em, накопленной в течение времени ί, Е«—количество ее, находящееся в равновесии с радием в данном растворе. Численно Ет равно стольким кюри (смотрите)_#эманации, сколько г Ra находится в растворе. Эталоном служит раствор с известным содержанием Ra порядка 1(Γ8—1ϋ“⁹ г. По Em возможно измерить 10 ^гоги даже 10“¹² г Ra. 4) Измерение числа отдельных частиц производится или при помощи метода сцинтилляций или же путем соответствующего усиления ионизирующего действия отдельных частиц или импульсов (счетчик Гейгера). Возможно также применение фотографии, пластинки с толстым слоем (метод Л. В. Мысовского).

Лит.:×л опин В. Г., Радий и его получение из русского сырья, Л., 1924; Башилов И. Я., Технология радиоактивных руд, Л., 1927; Люде-виг П., Радиоактивность, пер. с нем., Л., 1926; Хевеши Г, и Панет Ф., Радиоактивность, пер. с нем,. Л., 1925; Гамов Г. А., Атомное ядро и радиоактивность, М.—Л., 1930; Метц Г. Г., Радиоактивность та будова матери, Харьков—Киев, 1931; Спр. ТЭ,т. II, стр. 9—63; Curie Р., Trait6 de radioactivit6, t. 1—2, Р., 1910; Rutherford E.,

Radioaktive Substanzenu. ihre Strahlungen, Handb. d. Radiologie, hrsg. v. E. Marx, B. 2, Lpz., 1913; S olid у M., Die Chemie d. Radlo-elemente, В. 1—2, Lpz., 1912—14; Henricl F., Chemie u. chemische Tech-nologie radioaktiver Stoffe, B., 1918; Geiger H. u. Makower W., Messmethoden auf Gebiete d. Ra-•dioaktivitat, Braunschweig, 1920; Petterson H., Kirsch &„, Atomzerstriimmerung, Leipzig, 1926; KohlrauschK. W., Radioaktivitat, Handbuch d. Experimentalphysik, hrsg. y. W. Wien u. F. Harms, B. 15, Lpz., 1928; Rutherford E.,Chadwick a. Ellis, Radiations from Radioactive Substances, Cambridge, 1930. В. Баранов.