Каким же путем нестабильные, радиоактивные изотопы приобретают стабильность? Казалось бы, чего проще: при избытке нейтронов ядра должны испускать нейтроны и таким образом превращаться в стабильные. И наоборот, при недостатке нейтронов ядра должны испускать протоны. Однако такой путь, за исключением крайне малого числа случаев испускания нейтронов, в природе не осуществляется. Он энергетически невыгоден.
Оказывается, внутри ядра происходят весьма любопытные процессы: при избытке нейтронов последние превращаются в протоны, а при недостатке нейтронов протоны превращаются в нейтроны. Как же так? Протекание любых процессов в природе, будь то в масштабе галактики или в масштабе атомного ядра, происходит таким образом, чтобы неукоснительно соблюдались законы сохранения массы, энергии, заряда. Это значит, что суммарные масса, энергия, заряд замкнутой системы до начала процесса и после его завершения должны оставаться неизменными. Поэтому простое превращение нейтрона в протон и наоборот невозможно, так как протон имеет единичный положительный заряд, а нейтрон электрического заряда не имеет. Закон сохранения заряда соблюдается за счет того, что при превращении, например, нейтрона в протон возникает еще одна частица с очень малой массой и единичным отрицательным электрическим зарядом. Это знакомый нам электрон. В силу некоторых обстоятельств, объяснение которых выходит за рамки настоящей брошюры, вместе с электроном возникает еще одна частица — нейтрино (ν). Это частица, не несущая электрического заряда, с пренебрежимо малой массой. Таким образом, процесс превращения нейтрона в протон может быть записан в следующем виде:
—0n1 → +1Р1 + —1e0 + 0ν0,
Приведенное выражение иллюстрирует соблюдение законов сохранения массы и заряда. Энергия, выделяющаяся при этом процессе, реализуется в виде кинетической энергии вылетающих из ядра электрона и нейтрино. Таким образом, в нейтронно-избыточных изотопах происходит распад, так называемый радиоактивный распад, заключающийся в том, что нейтрон в ядре превращается в протон; при этом из ядра испускаются частицы — электрон и нейтрино. Такой тип радиоактивного распада носит название (бета) β—-распада, а поток быстрых электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, — потоком β—-частиц. Испускаемые нейтрино в силу отсутствия в них массы и заряда ничем себя не обнаруживают, поэтому мы исключим их из дальнейшего рассмотрения. Однако энергия β-частиц в силу этого принимает самые различные значения от некоторой максимальной величины (в том случае, когда доля энергии, передаваемая нейтрино, равна нулю) до нуля (когда к нейтрино переходит вся энергия процесса). Средняя энергия β-частиц примерно равна 1/3 максимальной энергии (Emax).
В таблицах радиоактивных изотопов, как правило, приводится максимальная энергия β-частиц, выраженная в мегаэлектронвольтах (Мэв); 1 Мэв — это энергия, которую приобретает электрон, проходя через ускоряющее электрическое поле в миллион вольт. В отношении одной β-частицы это величина небольшая, но если радиоактивного изотопа много и поток β-частиц велик, энергия может быть весьма заметной. Но об этом позже.
Что же произошло с радиоактивным изотопом, в ядре которого произошел радиоактивный β—-распад, т. е. один нейтрон превратился в протон, а масса ядра практически не изменилась? А произошло то, что заряд ядра увеличился на единицу, т. е. радиоактивный изотоп данного элемента превратился в изотоп следующего элемента в периодической системе. Таким образом, при радиоактивном распаде происходит самопроизвольное превращение одного химического элемента в другой.
После акта радиоактивного распада в новом так называемом дочернем ядре может установиться оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов. В этом случае образующийся дочерний изотоп стабилен. Если в результате одного акта распада оптимальное отношение не достигается, то дочерний изотоп также будет радиоактивным. В результате может иметь место цепочка последовательных β-распадов до тех пор, пока не установится оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов и процесс радиоактивных превращений не завершится образованием стабильного изотопа.
Аналогичная картина будет иметь место и у нейтроннодефицитных изотопов. В этом случае протон превращается в нейтрон по следующей схеме:
+1Р1 → 0n1 + +1e0 + 0ν0
Здесь вместо электрона, как это было в предыдущем случае, образуется другая частица — позитрон, аналогичная электрону, но несущая не отрицательный, а положительный заряд. Этот вид радиоактивного превращения носит название β+-распада, а испускаемый поток быстрых позитронов — потоком β+-частиц. При таком распаде у дочернего изотопа ядро имеет заряд на единицу меньше, т. е. образуется изотоп элемента, занимающего в периодической системе предыдущее место.
Иногда при β-распаде дочерний изотоп образуется в возбужденном состоянии, т. е. в его ядре имеется избыточная энергия. Эта энергия «высвечивается» в виде очень жестких, проникающих (гамма) γ-лучей, по своим свойствам близких к рентгеновским лучам. Таким образом, β-распад радиоактивных изотопов наряду с испусканием потока быстрых электронов или позитронов может сопровождаться и γ-излучением.
Позитрон по отношению к электрону является античастицей. Из условий симметрии каждой элементарной частице соответствует своя античастица: электрону — позитрон, протону — антипротон, нейтрону — антинейтрон, нейтрино — антинейтрино и т. д. Можно представить себе и антивещество, в котором роль элементарных частиц выполняют античастицы. Не исключено, что во Вселенной существуют отдельные тела или даже целые галактики, состоящие из антивещества. При столкновении частицы и античастицы происходит их взаимное уничтожение так называемая аннигиляция, при которой вместо исчезнувших частицы и античастицы возникают два кванта электромагнитного излучения (две γ-частицы, или два γ-кванта). Так, при β+-распаде с излучением позитронов последние за счет взаимодействия с электронами окружающей среды аннигилируют с образованием двух γ-квантов с энергией 0,5 Мэв. Таким образом, радиоактивный β+-распад всегда сопровождается γ-излучением.
Энергия аннигиляции может быть определена так же, как и энергия связи ядра, исходя из следующих данных: массы электрона и позитрона равны и составляют 0,00055 а. е. м, В то же время массе в 1 а. е. м. соответствует энергия 931 Мэв. Поскольку при аннигиляции образуются два γ-кванта, энергия одного γ-кванта равна
Eυ = (931·0.00055·2):2 = 0,5 Мэв
У нейтронно-дефицитных изотопов может иметь место и другой вид радиоактивного распада — так называемый K-захват. В этом случае ядро захватывает из внешней электронной оболочки ближайший электрон K-электрон), в результате чего протон превращается в нейтрон, а перегруппировка электронов приводит к возникновению рентгеновского излучения — мягких γ-лучей, как это видно из схемы:
+1Р1 + —1e0 → 0n1 + γ (рентг.).
У некоторых изотопов, в основном самых тяжелых элементов периодической системы, имеет место еще один вид радиоактивного распада — (альфа) α-распад. В этом случае из ядра испускаются α-частицы — знакомые нам ядра изотопа гелия 2Не4, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Дочерний изотоп может быть также неустойчив относительно α-распада, в результате чего может иметь место цепочка α-распадов. При этом, однако, дочерние ядра становятся нейтронно-избыточными, в результате чего вслед за серией α-распадов следует серия β—-распадов и т. д. Так, в природе изотопы урана U238 и U235 в конечном счете превращаются в стабильные изотопы свинца Pb206 и Pb207.
При α-распаде энергия всех испускаемых α-частиц одинакова, или, как говорят, испускаемые α-частицы моноэнергетичны. Как и β-распад, α-распад может сопровождаться γ-излучением.
Явление радиоактивности было открыто французским ученым Беккерелем в конце прошлого столетия. Им было обнаружено странное засвечивание фотопластинок, находившихся в светонепроницаемых кассетах. Впоследствии было установлено, что засвечивались те пластинки, которые находились рядом с препаратами урана. Таким образом было обнаружено, что препараты урана испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинки и проникающие через материалы, непрозрачные для видимого света. Это явление и получило название «радиоактивности». Дальнейшими работами супругов Марии Кюри-Склодовской и Пьера Кюри было установлено, что радиоактивность сопровождается, кроме излучения, еще и процессом превращения одних элементов в другие. Естественно, что в то время дать правильное объяснение наблюдаемым явлениям было невозможно. Тем более вызывают восхищение первые исследователи радиоактивности, сумевшие разобраться в многообразии явления, установить последовательность превращений и типы распада.
Мы познакомились с двумя характеристиками радиоактивного распада — типом распада и энергией испускаемых частиц и излучений. Есть еще очень важная характеристика, определяющая скорость радиоактивного распада, — период полураспада (Т1/2, или просто Т). Период полураспада характеризует время, в течение которого у половины из имеющихся атомов радиоактивного изотопа произойдет радиоактивный распад. В настоящее время известно более тысячи радиоактивных изотопов, и их периоды полураспада имеют величину от десятков миллиардов лет до тысячных долей секунды. Для практического использования наиболее интересны радиоактивные изотопы с периодом полураспада от нескольких десятков лет до нескольких часов.
Чем же примечательны радиоактивные изотопы, в каком направлении они могут быть использованы?
Благодаря тому что радиоактивные изотопы испускают при своем распаде поток быстрых заряженных частиц или γ-лучей, они могут быть обнаружены в крайне малых количествах. Современная техника создала специальные счетчики, позволяющие обнаружить каждый быстрый электрон, позитрон или α-частицу. Такими же чувствительными приборами может быть обнаружено и γ-излучение. Благодаря чувствительным методам обнаружения излучений, сопровождающих радиоактивный распад, добавка радиоактивного изотопа к стабильным изотопам данного элемента позволяет проследить за поведением его в различных физических, химических или технологических процессах. Можно проследить и за судьбой того или иного химического элемента или соединения, если в их состав наряду со стабильными изотопами входят также и радиоактивные. Такое направление использования радиоактивных изотопов носит название метода меченых атомов. Меткой являются в данном случае те частицы или лучи, которые сопровождают радиоактивный распад. При использовании метода меченых атомов требуется сравнительно небольшое количество радиоактивного изотопа, не требующее, как правило, специальных мер защиты и особой предосторожности.
Другим направлением применения радиоактивных изотопов является непосредственное использование излучений, сопровождающих радиоактивный распад. В этом случае существенными являются вид излучения и его энергия. Для такого применения нужны значительные количества радиоактивного изотопа, требующие специальных мер защиты и соблюдения условий, исключающих бесконтрольное попадание радиоактивных изотопов в окружающую среду. Количество радиоактивного изотопа можно измерять обычными весовыми единицами — миллиграммами, граммами и даже килограммами. Однако эти единицы применяются при использовании очень больших количеств. Обычно, особенно в методе меченых атомов, применяют другие единицы — кюри (К), тысячную долю кюри — милликюри (мК) и миллионную долю кюри — микрокюри (мкК).
Кюри — это такое количество радиоактивного изотопа, в котором ежесекундно происходит 37 млрд. актов распада (3,7·1010), т. е. столько, сколько происходит распадов в 1 г радия, вернее его изотопа Ra226 с периодом полураспада 1600 лет. Вес 1 кюри любого другого изотопа будет во столько раз меньше, во сколько его период полураспада меньше периода полураспада радия. Кроме того, вес уменьшается с уменьшением массового номера изотопа:
Вес 1 кюри в граммах = (T·M) : (1600·226),
где Т — период полураспада изотопа в годах, а М — его массовый номер.
В методе меченых атомов используют радиоактивные изотопы в количестве от долей милликюри до долей микрокюри. При использовании излучений количество радиоактивного изотопа может доходить до миллионов кюри. В природе радиоактивные изотопы встречаются в основном у элементов с зарядом ядра 81 и выше, т. е. у самых тяжелых элементов периодической системы. При этом они находятся в смеси с изотопами других элементов, и их выделение в чистом виде представляет сложную химическую задачу. Радиоактивные изотопы большинства элементов получают искусственным путем методами атомной физики.
Интересно оценить энергию радиоактивного распада. Примем для простоты, что при каждом акте радиоактивного распада выделяется 1 Мэв энергии, а количество изотопа составляет 1 кюри. Исходя из того что
1 Мэв = 1,6·10-13 дж,
а 1 К соответствует 3,7·1010 распадов в секунду, получаем мощность такого источника:
Р = 1,6·10-13·3,7·10-10 = 6·10-3 вт, или 6 мвт.
Эта энергия не так уж велика, но если радиоактивность составляет миллионы кюри, то мощность исчисляется киловаттами.
Кстати, расчеты показывают, что высокая температура внутренних слоев Земли, ее вулканическая деятельность обязаны радиоактивному распаду урана, тория и других радиоактивных элементов, залегающих в глубинных формациях.