Радиоактивные изотопы и их применение

Мы уже говорили о том, что радий испускает альфа-, бета- и гамма-лучи. Излучение, подобное радию, дают уран, торий, полоний и многие другие радиоактивные элементы. Однако распад других радиоактивных веществ не обязательно сопровождается всеми тремя видами излучений. Что же представляют собой альфа-, бета- и гамма-лучи?

В результате исследований действия электромагнитного поля на радиоактивное излучение ученые нашли, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц — ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядра атома с огромной скоростью — например из ядра атома радия со скоростью, примерно равной 17 000 километров в секунду. Они способны проникать через слой воздуха в несколько сантиметров толщиной. Проходя через воздух, они его ионизируют и делают проводником электричества.

Бета-лучи — это поток электронов, некоторые из которых вылетают из ядра атома со скоростью, достигающей величины, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду в пустоте). Они проникают через вещества значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи задерживаются пластинкой алюминия толщиной, равной 0,05 миллиметра, то бета-лучи способны пройти через слой алюминия толщиною до нескольких миллиметров. Так же, как и альфа-лучи, электроны делают воздух проводником электричества, только в меньшей степени.

Гамма-лучи имеют ту же природу, что и обычный видимый нами свет, но в отличие от него гамма-лучи, ослабляясь, проходят через непрозрачные тела, например через бумагу, дерево; они способны проникнуть даже через слои металлов толщиной в несколько сантиметров. Излучение природных радиоактивных элементов исчерпывается тремя перечисленными видами.

2. Радиоактивный распад

Теперь рассмотрим, что происходит с радиоактивными атомами при альфа-, бета- и гамма-излучении. Ученые нашли, что при радиоактивном излучении изменяются ядра атомов и происходит превращение атомов одного элемента в атомы другого элемента. Явление это получило название радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается в другой атом. Но не все атомы одного и того же радиоактивного изотопа существуют одинаковое время; одни атомы распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными очень долго.

Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?

Оказывается, число распадающихся за малый промежуток времени[4] атомов прямо пропорционально наличному числу радиоактивных атомов. Это значит, что у того или другого радиоактивного изотопа за такой малый промежуток времени распадается всегда одна и та же часть, одна и та же доля атомов, строго определенная для каждого элемента.

Этот закон ученые установили опытным путем, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных изотопов со временем.

Доля атомов, претерпевающих превращение за выбранную единицу времени, называется постоянной распада.

Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных атомов и постоянная распада равна 0,01, то это значит, что в каждую секунду распадается одна сотая часть наличных атомов: за первую секунду — 80 000 атомов, за вторую — сотая часть оставшихся 7 920 000, то есть 79 200 атомов, и т. д.

Скорость радиоактивного распада обычно характеризуют периодом полураспада. Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого наличное количество радиоактивных атомов уменьшается вдвое. Например, период полураспада радия D равен 22 годам. Это значит, что из 6 400 000 атомов через 22 года останется 3 200 000 атомов, еще через 22 года — 1 600 000 атомов, затем — 800 000 атомов и т. д.

В этих примерах даны довольно большие числа. Это совершенно необходимо, так как для малых количеств атомов закон не будет соблюдаться: из двух атомов радия D за 22 года может не распасться ни один, а могут распасться и оба.

Изучение превращения элементов при радиоактивном распаде дало возможность ученым установить правило перемещения элемента в периодической системе при этом процессе. Оно было названо «правилом сдвига». Когда радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд его ядра уменьшается на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2. При этом получается новый элемент, который должен занять в периодической системе место через одну клетку влево. Например, когда радий, занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-частицу, то он превращается в радиоактивный газообразный элемент эманацию радия, который находится в клетке под номером 86.

Бета-частицы, так же как и альфа-частицы, являются продуктами распада ядра радиоактивного атома; они испускаются в результате превращения нейтрона в протон:

Нейтрон→протон+электрон

Заряд ядра при бета-излучении (при испускании электрона) увеличивается на одну единицу; на единицу увеличивается и порядковый номер, и поэтому вновь образовавшийся изотоп должен занять в таблице место в следующей клетке справа. Уран X₁, получающийся из урана 238, занимает клетку номер 90 вместе с торием. Он выбрасывает бета-частицу и превращается в уран Х₂, который имеет порядковый номер 91, то есть является изотопом протактиния.