|
Меню сайта
Статистика
|
Как объясняется радиоактивность современной наукой?Как объясняется радиоактивность современной наукой?Существует наука с довольно скучным названием: «изотопная статистика». Она наводит строгий бухгалтерский учет для тысячи с лишним радиоактивных изотопов. Вспомним, какие виды радиоактивных превращений нам известны. Это — альфа-распад, бета-распад и спонтанное (самопроизвольное) деление. Обратим особое внимание на бета-распад. Изотопная статистика подсчитала, что около 80% всех радиоактивных изотопов распадается по типу бета-распада. Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений. Первый вид — испускание электрона β--распад). Второй вид — испускание позитрона (β+-распад). Третий вид обнаружил в 1937 г. американский ученый Луис Альварец. Оказалось, что некоторые ядра могут поглощать электроны с ближайших к ядру электронных оболочек. Заряд ядра-поглотителя, как и при β+-распаде, уменьшается на единицу. Природная радиоактивность ка-лия-40 как раз связана с тем, что ядром этого изотопа поглощается орбитальный электрон (см. рисунки 5 и 10 в ст. «Великий закон»). Если электрон поглощается ядром с K-оболочки (ближайшей к ядру), то это так называемый K-захват; если со следующей L-оболочки — это L-захват, но он встречается крайне редко. Значит, в процессах бета-распада обязательно участвует либо электрон, либо его электрический антипод — позитрон. Ядра состоят только из протонов и нейтронов. И тем не менее при β- или при β+-распадах из ядер вылетают электроны и позитроны. Модель ядра не приемлет электроны, и между тем электрон поглощается ядром при орбитальном захвате. Как же это понять? А если допустить, что ядерные протоны и нейтроны не неизменны и способны превращаться друг в друга? Ядерный нейтрон может превращаться в протон, при этом вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу. Тут происходит β--распад. Ядерный протон в свою очередь может стать нейтроном, а положительный заряд уносится вместе с позитроном. Заряд ядра станет на единицу меньше. Здесь мы имеем дело с β+-распадом. Заметим, что одновременно с позитроном или электроном вылетает элементарная частица нейтрино v (или антинейтрино ṽ ). Мы можем записать эти виды распадов в виде схем:
А процесс орбитального захвата можем изобразить так:
Выходит, что при β--распаде ядро, теряя нейтрон, приобретает лишний протон, а при β+-распаде и орбитальном захвате оно, наоборот, меняет протон на нейтрон. Механика, на первый взгляд, очень несложная. Но почему тогда далеко не все ядра подчиняются этой механике? Важнейшее условие устойчивости атомных ядер — отношение числа содержащихся в них нейтронов к числу протонов (n:p). Это соотношение меняется с ростом заряда в ядре. Оно приблизительно равно 1 у изотопов легких элементов и достигает 1,6 у тяжелых. Только при определенных величинах отношения n:p ядра устойчивы. При других же отношениях они способны к бета-распаду. Неустойчивы ядра с большим числом нейтронов — у них велико отношение n:p. Как оно может уменьшиться? Только если n станет меньше, а p — больше, если нейтрон превратится в протон, испустив электрон, т. е. путем β--распада. Поэтому все тяжелые изотопы с избытком нейтронов оказываются β--активными. Когда же отношение n:p мало, то у ядра появляется стремление заменить протон на нейтрон и, испустив позитрон, восстановить равновесие. Легкие радиоактивные изотопы химических элементов надо считать приверженцами β+-распада. Орбитальный захват — это тоже привилегия легких изотопов, стремящихся к обмену протона на нейтрон. Но встречается он главным образом у элементов, у которых внутренние электронные оболочки расположены близко к ядру, т. е. у элементов в середине и в конце периодической системы. Почему же ядра остаются устойчивыми при каких-то «избранных» отношениях n:p? Может быть, эта устойчивость мнимая и ядра даже при этих соотношениях в очень слабой (необнаружимой пока) степени радиоактивны? Или же вся эта схема лишь весьма грубое приближение к действительности — своего рода «рабочая модель»? Словом, на вопрос: «Что такое радиоактивность?» — в наше время еще нет исчерпывающего ответа. Быть может, кому-нибудь из вас придется принять участие в его решении. Обратимся теперь к другим видам радиоактивного распада. Альфа-распад — явление частое среди радиоактивных изотопов. И главным образом у элементов конца периодической системы. Вылет α-частицы сопровождается изменением массы исходного ядра на 4, а заряда— на 2 единицы. Поэтому долгое время считалось, что к α-распаду способны только самые тяжелые, наиболее сложные ядра — ядра элементов начиная со свинца и висмута. Каково же было удивление ученых, когда они установили, что α-распад может быть у многих изотопов редкоземельных элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. Отдельные изотопы лантана и церия, празеодима и неодима, самария и гадолиния, диспрозия и тербия по странной прихоти природы охотно теряют α-частицы. Оправдать эту прихоть помогла так называемая оболочечная модель атомного ядра. Протоны и нейтроны слипаются в ядерный комок не в беспорядке, заявили ученые. Напротив, составные частицы ядра должны располагаться в строгом порядке. Подобно тому как электроны в атомах распределяются по оболочкам, ядерные протоны и нейтроны также разложены по «полочкам» с разными уровнями энергии и на эти «полочки» вмещаются строго определенные количества протонов или нейтронов — 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ядра, содержащие такие количества частиц, получили название «магических», их можно считать своеобразными «инертными газами» в периодической системе изотопов (подробнее об этом см. в ст. «Великий закон»). Ядра изотопов редкоземельных элементов содержат количества нейтронов, близкие к «магическому» числу 82. И эта близость, как доказали физики, способствует нарастанию вероятности α-распада. Поэтому в области редкоземельных элементов наблюдается первая на протяжении периодической системы «вспышка» α-активности. В районе классических α-излучателей (элементы конца таблицы Менделеева) дает себя знать близость оболочки из 126 нейтронов. В целом 16% радиоактивных изотопов распадаются, испуская α-частицы. Спонтанное (самопроизвольное) деление — это самый кардинальный тип радиоактивных превращений. Он встречается только у очень тяжелых ядер. Ему подвержены многие α-активные ядра, а в особенности у изотопов трансурановых элементов. У ядер, находящихся в соседстве с ураном, спонтанное деление — явление очень редкое. Если бы в природе существовало только спонтанное деление, то, например, из 1 г изотопа тория-232 осталось бы 0,5 г за колоссальный срок, который даже трудно себе представить, — 1021 лет. Этот изотоп превращается гораздо быстрее благодаря α-распаду. С ростом заряда в ядре вероятность самопроизвольного деления стремительно нарастает, и, например, у изотопа менделевий-256 (порядковый номер 101) период полураспада при спонтанном делении равен всего 30 минутам. Физики установили четкий критерий способности ядра к самопроизвольному делению. Он измеряется отношением квадрата заряда ядра Z к атомному весу А (массовому числу) изотопа. Как только величина Z2:A достигает значения 44,5, самопроизвольное деление становится вероятным. Оболочечная модель ядра не может объяснить, как происходит механизм спонтанного деления. Приходится привлекать для этого другую модель — капельную. Ученые давно проводили аналогию между свойствами ядра и свойствами капли жидкости. Если капле сообщить достаточную энергию, привести ее в движение, то она может разделиться на более мелкие капли. Подобным же образом и ядро, если оно, как говорят физики, придет в возбужденное состояние, способно делиться — либо под действием нейтронов, либо самопроизвольно. КАК И ИЗ ЧЕГО ВЕЩЕСТВО ПОСТРОЕНО
|
ПОИСК
Block title
|
