5.1. Краткая история открытия радиоактивности

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что определенные минералы могут флуоресцировать, когда их облучают потоком электронов. Поток электронов известен как катодные лучи (открытые Круксом также в 1895 году), так как они испускаются катодом, когда через стеклянную трубку при пониженном давлении пропускают электрический ток. Рентген заметил, что электроны, соударяясь с поверхностью стеклянной трубки, вызывают излучение нового вида. Эти лучи (названные им Х-лучами) могут проникать сквозь вещество и вызывать флуоресценцию некоторых минералов. Проникающее излучение становилось мощнее, если электроны ударялись о металлическую мишень. Сейчас известно, что рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение с длиной волны 10^-1 – 10 нм. За открытие рентгеновских лучей Рентген был удостоен Нобелевской премии.

Открытие Рентгена побудило других ученых к исследованию этих лучей. В 1896 году французский ученый Анри Беккерель решил выяснить, не могут ли флуоресцирующие минералы излучать рентгеновские лучи. Поскольку было известно, что флуоресцирующие минералы светятся в темноте после облучения УФ-светом, Беккерель подверг облучению солнечным светом минерал, содержащий уран, и обнаружил, что после этого фотографическая пластинка была засвечена. Это подтверждало его теорию. Однако случайно он обнаружил, что и без облучения солнечным светом данный минерал в темноте также засвечивает фотографическую пластинку. Такое почернение пластинки не могло быть вызвано флуоресценцией. Беккерель начал исследование таинственных лучей, которые излучал урановый минерал. Оказалось, что эти лучи обладают гораздо более высокой проникающей способностью и большей энергией, чем рентгеновское излучение. Так была открыта радиоактивность. Анри Беккерель за эту работу получил Нобелевскую премию 1903 года.

Последующие исследования показали, что радиоактивны все соединения урана. Это позволило Пьеру и Марии Кюри предположить, что радиоактивность – свойство тяжелых элементов. Супруги Кюри впоследствии открыли ряд других радиоактивных элементов – полоний, радий и др. За исследование радиоактивного излучения Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию 1903 года. В 1911 году Мария Кюри получила вторую Нобелевскую премию за выделение радия.

5.2. Типы ионизирующего излучения

Мария и Пьер Кюри показали, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, вызывает ионизацию газов и других веществ. Позже М. и П. Кюри, Эрнест Резерфорд установили существование ионизирующего излучения трех типов: альфа (), бета () и гамма ().

-Излучение

Излучение этого типа представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Для записи используют символы или Не²⁺.

Если какой-либо элемент испускает -частицу, то ядро его атома (нуклид) теряет два протона и два нейтрона. Из-за потери двух протонов атомных номер радиоактивного элемента уменьшается на 2, и, следовательно, происходит образование нового элемента. При этом массовое число уменьшается на 4.

Например, превращение нуклида радия-226 (порядковый номер 88) при потере -частицы:

_-

 +

Ядро радия теряет 2 протона, из-за чего его атомный номер уменьшается с 88 до 86. Оно также теряет два нейтрона, при этом массовое число уменьшается на 4 (масса двух протонов и двух нейтронов) – с 226 до 222. В ядерных реакциях в отличие от химических реакций атомы не сохраняются неизменными. Однако сумма массовых чисел и атомных номеров в ядерных реакциях сохраняется.

Поскольку ядра гелия имеют положительный заряд, они притягивают электроны и вследствие этого обладают высокой ионизирующей способностью. Ионизация вещества, в которое они попадают, приводит к образованию атомов гелия: Не²⁺ + 2е^-  Не. Небольшие количества гелия действительно обнаруживаются в некоторых радиоактивных веществах.

Проникающая способность -излучения не очень велика из-за сравнительно большого размера ядер гелия. Оно задерживается несколькими сантиметрами воздуха. Источник -излучения можно безопасно держать в руке, так как -частицы не могут проникнуть сквозь кожу. Однако большая масса -частиц может представлять сильную опасность на малых расстояниях. Попав внутрь тела, в кровь, в жизненно важные органы (например, при вдохе в легкие) -частицы оказывают разрушающее воздействие на ткани.

-Излучение

Бета-частицы – это быстрые электроны, излучаемые ядрами в процессе распада. Так как их масса намного меньше массы альфа-частиц и двигаются они с очень высокой скоростью, сравнимой со скоростью света, их проникающая способность намного выше, чем у -частиц, и они очень опасны для тканей организма.

Во время бета-распада нейтрон превращается в электрон и протон.

¹₀ n  ¹₁ р + ⁰_-1 е

Протон остается в ядре (и поэтому массовое число не изменяется), а электрон выбрасывается с очень высокой скоростью. Одновременно выбрасывается и третья частица – антинейтрино.

Поскольку в результате распада нейтрона в ядре образуется дополнительный протон ¹₁ р, атомный номер увеличивается на единицу. Так происходит образование нового элемента.

Например, схема -распада для нуклида свинца-210 (атомный номер 82) выглядит следующим образом:

_-

²¹⁰₈₂Pb  ²¹⁰₈₃Bi + ⁰_-1 e + антинейтрино

-Излучение

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией, подобное рентгеновским лучам, но с меньшими длинами волн. Испускание -лучей происходит когда нуклид испускает - или -частицы. Высокая энергия и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность -лучей. Опасность для живых тканей определяется тем, что молекулы в организме ионизируются при облучении. Ионизирующая способность наиболее велика для -излучения, но это излучение легко экранируется. - и -лучи не так эффективно ионизируют молекулы, но от них трудней защититься.

Гамма-лучи не имеют ни заряда, ни массы, их испускание не меняет баланс по массе или заряду в ядерном уравнении.

Сводная таблица, отражающая изменения, которые происходят при ядерном распаде, приведены в таблице.

Таблица 5.2.

Типы радиоактивного излучения

Излучение	Свойства испускаемых частиц		Изменения радиоактивного ядра		Проникающая способность
	Заряд	Масса	Атомный номер	Массовое число
	+2	+4	-2	-4	Небольшая, но способны образовывать много ионов. Поглощается листом бумаги.
	-1	+1	+1	Прежнее	Приблизительно в 100 раз большая, чем у -лучей, но способны образовывать меньшее число ионов.
	0	0	Прежний	Прежнее	Очень большая, но способны образовывать лишь незначительное число ионов. Поглощаются листом свинца толщиной 5 см или железной плитой толщиной 30 см.