5.3. Обнаружение и измерение радиоактивности

Одним из первых устройств для обнаружения радиоактивного излучения была специальная камера, которую изобрел Чарльз Вильсон в 1911 году.

Пузырьковая камера или камера Вильсона – это стеклянный контейнер, заполненный воздухом, который насыщен водяными или другими парами. При охлаждении в определенных условиях пар становится пересыщенным. Когда излучение проходит через камеру, заполненную пересыщенным паром, то вдоль пути прохождения радиации воздух ионизируется и на образовавшихся ионах конденсируется пар, оставляя белый пузырьковый след (или "трек"). Этот белый след напоминает след самолета и обозначает путь движения частицы или луча.

В настоящее время для обнаружения и измерения радиоактивности используются разнообразные методы. Ниже рассмотрены три таких метода: ионизация газа, сцинтилляционные и фотохимические методы.

Ионизация газа. На ионизации газа основано действие счетчика Гейгера – Мюллера. Основной частью прибора является металлическая трубка, заполненная аргоном. Под действием излучения аргон ионизируется, при этом положительные ионы аргона Ar⁺ движутся к катоду, а электроны е^- - к аноду. Появившийся импульс электрического тока усиливают и регистрируют. Импульсы тока регистрируются по щелчкам в наушниках прибора, по вспышкам сигнальной лампочки или по цифровым показаниям прибора.

Сцинтилляционные методы. Некоторые материалы обладают способностью, поглощая энергию радиоактивного излучения, превращать ее в световое излучение. Они называются люминофоры. Одним из таких веществ является сульфид цинка (ZnS).

От каждого попадания в него радиоактивной частицы возникает слабая вспышка света. Сцинтилляционный счетчик состоит из фотоэлектронной трубки с окошком, покрытым сульфидом цинка. Вспышки света приводят к возникновению в фотоэлектронной трубке импульсов электрического тока, эти импульсы усиливаются и подсчитываются.

Свойствами люминофора обладает и иодид натрия NaI.

Фотохимические методы. Методы этого типа называют авторадиографией. Радиоактивный образец помещают на слой фотографической эмульсии, содержащей галогениды серебра. Радиоактивность образца оценивается после проявления пленки при ее рассмотрении под сильным увеличением.

5.4. Устойчивые и неустойчивые изотопы

Изотопы химического элемента имеют одинаковый атомный номер, но различные массовые числа, что обусловлено различным числом нейтронов в ядре.

В Солнечной системе найдены 350 изотопов, которые образованы 90 элементами.

Все изотопы подразделяют на устойчивые и неустойчивые. Устойчивые изотопы не подвергаются радиоактивному распаду. Поэтому они сохраняются в природных условиях. Примерами устойчивых изотопов являются кислород-16 и углерод-12. На Земле существует около 280 устойчивых изотопов. Большинство естественно существующих элементов состоит из одного устойчивого изотопа в смеси с небольшим количеством других устойчивых и неустойчивых изотопов.

Наибольшее число изотопов имеет олово – десять.

Состав природных смесей изотопов одинаков повсюду на Земле. Приводимая в Периодической таблице атомная и молярная массы элемента – это средние массы, зависящие от относительного содержания изотопов.

Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают изотопы со следующим числом протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Указанные числа получили название магических чисел. Предполагается, что они указывают наличие замкнутых ядерных оболочек, в каком-то смысле аналогичных замкнутым электронным оболочкам атомов благородных газов. Устойчивые изотопы с указанными магическими числами протонов и нейтронов включают ⁴₂Не, ¹⁶₈О, ²⁰⁸₈₂ Pb.

Неустойчивые изотопы радиоактивны. Их принято называть радиоактивными изотопами, радиоизотопами или радионуклидами. Радиоизотопы подразделяются на естественные и искусственные. И те, и другие распадаются, испуская при этом - или -частицы. Распад продолжается до образования устойчивого изотопа. Известны около 70 естественных радиоизотопов.

Сначала Мария Кюри считала радиоактивность свойством только тяжелых элементов. Действительно, природные радиоизотопы – это изотопы большей частью тяжелых элементов. Например, изотопы всех элементов с атомным номером больше 83 (висмут) радиоактивны. Однако довольно много более легких элементов имеют природные изотопы, например ³₁ Н, ¹⁴₆С, ⁴⁰₁₉К, ¹⁹⁰₇₈ Pt и др. В принципе возможно получить радиоактивный изотоп любого элемента. Искусственно в лабораториях было получено свыше 1600 изотопов.