Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы с вами продолжаем изучать физику атомного ядра, но прежде всего давайте внесем корректировку в ошибку, которая была допущена на предыдущей лекции.
Ну а теперь переходим к нашей лекции... И так...радиоактивность. Как она была открыта? Вообще-то помогла случайность и такое очень часто бывает в науке. Все началось с открытия рентгеновских лучей. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открывает, то что мы называем рентгеновскими лучами, а американцы называют "х-лучами". Как это было? Рентген изучал электрический ток в сильно разреженных газах и в одном из опытов на положительно заряженный электрод падали электроны и в то время еще не знали, что такое электроны, так как к тому времени они еще не были открыты. Но оказалось, что находящийся рядом лист люминофора на котором на картоне был нанесен чистый цинк стал светиться. Рентген поднес свою руку к этому люминофору и увидел свои кости - это было потрясающее зрелище. Было открыто излучение природу, которого мы будем описывать позже, и которое обладает огромной проникающей способностью. Оно заставляет светиться люминофоры. Кроме того, если рентгеновское излучение направить на фотопластинку, тогда еще не было фотопленок и фотобумаг, то рентгеновское излучение засвечивает пластинку. Это первый факт. Второй факт: стекло в том месте, где из него выходит рентгеновское излучение, а как известно, у Рентгена была стеклянная трубка с металлическими электродами в середине, светилось зеленым светом. Значит, параллельно наблюдаются два явления: зеленое свечение стекла и излучение чего-то с огромной проникающей способностью рентгеновского излучения. Об этом узнал французский ученый Анри Беккерель. В 1896 году Анри Беккерель знал, что если соль урана, вынести на Солнце и освятить солнечным светом, то после этого некоторое время соль урана начинает светится так же как светилось стекло в его опыте. Урановая соль после освещения ярким солнечным светом светиться таким же зеленым светом. И Беккерелю пришло в голову, а что если попробовать проверить, а не будет ли сопровождаться зеленое свечение солей урана, испусканием лучей с высокой проникающей способностью. И Беккерель поставил серию таких опытов. Он взял соль урана. Он взял фотопластинку, завернул ее в черную бумагу, настолько плотную, что Солнечный свет сквозь нее не мог пройти. И положил эту соль урана на фотобумагу в черной оболочке, вынес на Солнце, принес обратно, проявил, и увидел, что действительно, засветка есть. И все было бы хорошо, если бы не одно обстоятельство...один раз был пасмурный день. Это было в феврале 1896 года. Заранее Беккерель приготовил образец, завернул фотопластинку в бумагу, сверху положил соль урана и еще он насыпал кучку урана на медный крестик, что бы в дальнейшем видеть тень от этого крестика на фотопластинке. Хотел вынести на Солнце, но Солнца нет...плохая погода...и что-то подтолкнуло Беккереля проявить эту фотопластинку не вынося соль урана на Солнце. И что он увидел....
И то что обнаружил в своем опыте Беккерель получило название естественной радиоактивности. Ничего специального для того, чтобы происходило излучение в опыте Беккереля с солями урана делать было не нужно и так была открыта естественная радиоактивность. Оказалось, что соль урана радиоактивна, и то что она светиться после солнечного освещения никакого отношения к радиоактивности не имеет. Свечение в солях урана связано с процессами в электронной оболочки, т.е с процессами, происходящими в атоме. А радиоактивность связана с процессами в ядре. Но узнали это не сразу. Подробным изучением радиоактивности занялась французская исследовательница Мария Складовская-Кюри.
Мария Кюри изучая различные радиоактивные элементы выяснила, что радиоактивностью обладают не только соли урана, но и соли тория. Кстати, соли урана используются для того, чтобы окрашивать стекло в стекольной промышленности. Например, в Богемии добывают соли урана для производства знаменитого Богемского стекла. И вот, Мария Кюри обнаружила, что существуют кроме урана и тория другие радиоактивные элементы, и в частности, она открыла новый химический элемента - полоний. В периодической системе элементов он занимает 84 место, т.е у него 84 протона в атомном ядре и 210 нуклонов. И полоний назван в честь государства Польша - Родины Марии Кюри.
Но самое интересное было вот что: оказалось, что урановая руда в четыре раза более радиоактивная, чем чистый уран. О чем это говорит? О том, что кроме урана в урановой руде есть еще какой-то химический элемент, который обладает большей радиоактивностью, чем сам уран. Мария Кюри назвала этот элемент радием. Радий занимает в периодической системе 88 место. Его массовое число или количество нуклонов в ядре 226 единиц. Открытие радия было сделано в 1898 году. Кюри сообщила об этом научной общественности, но научная общественность начала задавать ей определенные вопросы: "вы говорите, что у вас есть элемент радий, а покажите нам крупинку этого элемента и определите его относительную атомную массу? Нет массы, нет элемента?" И вот Кюри пришлось в течении четырех лет выделять радий из урановой руды. И хорошо, что ей удалось добыть много урановой руды. Надо сказать, что жили они очень бедно. Лабораторию в Сорбонне им не предоставили, они все опыты делали в сарае с деревянными стенами, со стеклянной протекающей крышей и асфальтовым полом. Этот сарай имел одно "достоинство" на него никто не претендовал. И там они вместе в Пьером устроили лабораторию. И вот о чем писала Мария Кюри...
Мария Кюри работала вместе с Пьером Кюри на протяжении четырех лет. И только в 1902 году они получили 0,1 грамма хлористого радия. Тогда уже была измерена масса и начали изучать свойства этого соединения. Оказалось, что радиоактивность никак не связана с присутствием хлора. Точно так же можно сделать соль - радий бром (II) и уровень радиоактивности, создаваемый солями не определяется массой соли, а определяется массой атомов радия, находящихся внутри этой соли. Т.е анион хлора ни при чем, входящий в состав соли ни при чем. Еще бы неплохо было бы выделить и чистый металлический радий, но это удалось сделать Марии Кюри значительно позже. Когда стали изучать свойства радия. И оказалось, что радий феноменально активен. Например, мало того что он излучает какие-то лучи о которых мы еще будем говорить, он еще и нагревает все вокруг себя. Оказывается в течении часа один грамм радия способен расплавить один грамм льда. Кроме того Пьер Кюри как-то попробовал на себе действие излучения радия. Просто, приложил его на час-два к руке и у него случился такой ожог, что в течении нескольких месяцев он не мог залечить эту рану - это с одной стороны, тут же изучением радия заинтересовались врачи, и оказалось, что излучение радия способно вылечивать рак кожи. Этим моментально заинтересовались Американцы, в Баффало в Соединенных Штатах начали строить радиевый завод, но чтобы строить завод нужно знать технологию. А технологию знали только Мария и Пьер Кюри. Они могли стать миллиардерами, но Мария отказалась продавать технологию получения радия. Она считала, что эти достижения настолько важные, что их нельзя присваивать какому-то человеку и они должны принадлежать всему человечеству. И вот, этот завод был построен по подробной технологии, которую Мария Кюри предоставила. Оказывается, что излучение, однако, не является уж таким безобидным. В течении длительного времени Мария Кюри облучалась и заболела лейкемией - раком крови. До сих пор в музее хранится записная книжка Марии Кюри, куда она заносила результаты измерений и рядом находится счетчик радиоактивности. Прошло около ста лет, но тем не менее счетчик по прежнему исправно считает радиоактивные частицы. И вот несколько цифр...чтобы получить один грамм радия, необходимо переработать десятки тонн урановой руды. Каждая тонна содержит всего лишь десятые доли грамма этого элемента. Израсходовать при этом 500 тонн различных реактивов, 10 тысяч тонн угля и 10 тысяч тонн дистиллированной воды и это все прошло через руки Марии Кюри. К 1916 году в мире было получено всего лишь 48 граммов радия. К 1927 году в мире насчитывалось 340 граммов радия. И в настоящее время количество радия добытое всеми странами мира не превышает трех килограммов. Вот такой вот химический элемент, вот такая вот сложная технология его получения.
Что же представляет собой излучение радия и других радиоактивных элементов? Изучением этого излучения занялся уже хорошо знакомый нам Эрнест Резерфорд. Но давайте сначала ответим на один интересный и каверзный вопрос: "А что если радиоактивное излучение пропускать через электрическое поле?" Но Резерфорд пошел другим путем, он пропускал радиоактивное излучение, которое испускают соли радия через магнитное поле. И вот, что оказалось...
Ну а теперь давайте посмотрим на установку, на которой Резерфорд проводил свои эксперименты.
Параметра альфа-частиц мы знаем и мы можем написать, что это ядро Гелия с 2 протонами и 4 нуклонами или относительным атомным числом. Вот что такое альфа излучение. Альфа излучение обладает очень низкой проникающей способностью. Лист бумаги, практически полностью задерживает альфа излучение. Практически полностью, это излучение даже не проходит через бумагу. Но будем помнить о том, что не дай бог, что альфа активное вещество попадает к нам в организм. Альфа частицы будут поглощаться тканями нашего организма и наносить непоправимый вред. Механизм действия радиоактивного излучения мы позже обсудим, а пока стоит помнить о том, что где есть радиоактивность обязательно нужно носить респиратор. Те кто занимался ликвидацией последствий Чернобыльской катастрофы - это прекрасно знали, чтобы не вдыхать пыль, которая могла содержать эти альфа радиоактивные изотопы. Но при этом проникающая способность у этих частиц очень слабая. Положительный заряд мы определили по направлению отклонения альфа излучения.
С правой стороны на фотопластинке образовалась целая полоска каких-то частиц, которые Резерфорд назвал бета излучением. Бета излучение отклоняется в противоположную сторону, а это говорит о том, что частицы заряжены отрицательно. Изучение деталей этого процесса - отклонение частиц привело к тому что поняли, что бета-излучение - это поток быстрых электронов. Что значит быстрых? Быстрых настолько, что их скорость приближается к скорости света. Скорость близка к скорости света в вакууме. Энергия альфа-частиц порядка единиц мегаэлектронвольт. Энергия бета излучения порядка десятка мегаэлектронвольт, причем, если потом альфа частиц представляет собой поток частиц одинаковой энергии, то бета частицы имеют разную скорость отклоняясь при этом на разные углы и образовывая рисунок в виде "полоски". Но вспомним, что углы отклонения потока бета частиц примерно одинаковые. Заряды по порядку одинаковые, потому что если это электрон, то заряд бета-частицы равен минус элементарному заряду, но масса альфа частицы в восемь тысяч раз больше, чем масса бета-частиц. Следовательно, при одном и том же отклонении, примерно на одинаковые углы, скорость этих бета-частиц должна быть значительно больше. Более подробные исследования показали, что она приближается к скорости света. Т.е это так называемые релятивистские электроны. И проникающая способность бета электронов заметно больше, чем альфа излучения. Бета излучение способно, например, проникать через слои алюминия в доли миллиметра, проходят почти свободно и где-то в половину ослабляется слоем алюминия толщиной в 2-3 миллиметра - это свойство бета излучения.
Дальше...Что такое гамма излучение?
А теперь давайте подумаем какое из излучений вреднее? Альфа или гамма? Гамма вреднее? А давайте исходить вот из чего, альфа излучение поглощается нашим организмом, а гамма прошивает его практически насквозь. Ведь, у гаммы излучения проницающая способность гораздо больше. Следовательно альфа частица всю свою коварную энергию передает, когда поглощается веществом, а гамма может быть ничего плохого и не сделает, это как повезет. Какая-то небольшая доля гамма излучения поглотится, но большая часть пройдет насквозь. Поэтому на самом деле самое опасное излучение - это альфа излучение. А гамма излучение, как это не странно, конечно, его нельзя назвать самым безвредным, но по своей вредности оно в 20 раз меньше, чем альфа излучение. Подробнее мы поговорим об этом тогда, когда будем с вами анализировать количественное описание различных видов излучения. И таким образом, мы видим, что радиоактивное излучение имеет сложную структуру. И сейчас давайте обратим внимание вот на что... Гамма излучение ничего не меняет в ядре, потому что оно не несет в себе никакого электрического заряда. Т.е когда ядро испускает гамма излучение, оно остается ядром того же самого химического элемента и ничего с ним не происходит. Это примерно то что происходит в электронной оболочке атомов, когда мы, например, заставляем разреженный газ светиться под действием электрического тока. Это, просто, сбрасывается лишняя энергия в виде электромагнитного излучения. А вот, что касается альфа излучения, то альфа излучение меняет и массу ядра и заряд ядра. Следовательно при испускании альфа частиц появляются новые химические элементы. Когда испускается бета-частица, бета-частица вылетает не из электронной оболочки. Если бы бета частица слетала, просто, с электронной оболочки, то атом оставался тем же самым. Ядро бы не менялось и получался бы, просто, положительный ион. Оказывается, что бета-излучение выходит из ядра, следовательно меняется заряд ядра. Значит, получается другой химический элемент. И вот испускание таких лучей приводит к появлению новых или относительно новых химических элементов, потому что такие элементы есть в периодической системе элементов. И эта ситуация напоминает одну интересную повесть, фрагмент, которой мы уже приводили в лекции по электрическому току в металлах, но давайте напомним еще раз Конана Дойля "Открытие Раффалза Хоу". История такая...все знаю, что в истории науки алхимики всегда хотели получить золото с помощью филосовского камня. И вот в этой повести описывается ученый, который пропускал электрический ток через разные вещества, в частности, свинец, включил установку, пошел спать, приходит утром, а на столе ничего нет, а на полу при этом лужи, как подумал Хоу - это ртуть...свинец превратился в ртуть. Конечно - это фантастика. Но в опыте с фотопластинкой, как раз и спрятана тайна превращения одного химического элемента в другой. При испускании радиоактивного излучения один химический элемент превращается в другой химический элемент. Поэтому об этом стоит поговорить подробнее...И мы это сделаем на следующей лекции.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.