Альфа и бета-частицы, гамма-лучи. Атомные превращения

Атомы урана, тория и ряда других химических элементов являются радиоактивными. Это значит, что они постоянно испускают проникающее ионизирующее (имеющее заряд) излучение. При этом такое излучение не гомогенно. В магнитном поле одна часть радиоактивных лучей немного отклоняется в одном направлении, другая сильно отклоняется в противоположном, а оставшиеся не отклоняются вовсе. Эрнест Резерфорд назвал эти части радиационного излучения первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа-лучи (α), бета-лучи (β) и гамма-лучи (γ). Эти три группы лучей отличаются друг от друга еще и проникающей способностью: гамма-лучи обладают такой же проникающей способностью, как и рентгеновские, проникающая способность бета-излучения гораздо ниже, а альфа-лучи такой способностью вообще практически не обладают.

По направлению отклонения бета-лучей Беккерель в 1899 году определил, что они состоят из отрицательно заряженных частиц. Дальнейшие исследования подтвердили, что бета-излучение является потоком быстро двигающихся электронов, поэтому излучаемый радиоактивным веществом электрон принято называть бета-частицей.

Гамма-лучи не отклоняются электромагнитным полем, поэтому ученые предположили, что гамма-излучение является электромагнитным по своей природе, однако длина его волны еще короче, чем у рентгеновского излучения. В 1914 году, подвергнув гамма-лучи дифракции на кристалле, Резерфорд доказал это.

Появление ядерной модели атома дало ключ к разгадке природы радиоактивного излучения. Стало понятно, что его источник нужно искать внутри атомного ядра. Дело в том, что разницы энергии электронных уровней недостаточно для возникновения гамма-лучей. Значит, существуют внутриядерные энергетические уровни, энергия которых и переходит в фотоны гамма-излучения.

Кроме того, рентгеновские и гамма-лучи не так уж и похожи друг на друга. В целом длина волны рентгеновских лучей выше, а у тяжелых элементов частота рентгеновского излучения превосходит частоту гамма-излучения того же атома.

Границей между рентгеновским и гамма-излучением является волна длиной 0,01 миллимикрона. Все волны короче 0,01 миллимикрона являются гамма-лучами, длиннее - рентгеновскими. Гамма-лучи расширили спектр известных электромагнитных волн, и на сегодняшний день его диапазон от самой короткой гамма-волны до самой длинной радиоволны равняется 60 октавам.

А что такое альфа-лучи? Они отклоняются в противоположную от бета-лучей сторону, а это значит, что они состоят из положительно заряженных частиц. Тот факт, что альфа-лучи лишь незначительно отклоняются электромагнитным полем, которое сильно отклоняет бета-лучи, говорит о том, что масса альфа-частиц намного выше массы электронов.

В 1906 году Резерфорд измерил значение соотношения e/m для альфа-частицы и обнаружил, что это значение эквивалентно значению e/m атома гелия. В 1909 году он разрешил этот вопрос окончательно, поместив радиоактивное вещество в тонкостенную трубку, находящуюся внутри толстостенной трубки, и откачав воздух из пространства между стенками. Альфа-частицы проникали сквозь тонкую стенку, однако задерживались в пространстве между стенками. Там они присоединяли электроны и превращались в обычные атомы. Проведенный через несколько дней спектроскопический анализ показал, что это были атомы гелия.

Возьмем произвольный элемент Q, ядро которого состоит из x протонов и y нейтронов. Значит, его атомное число равняется x, а его атомный вес x + y. Запишем атомное число нижним регистром перед символом элемента, а атомный вес - верхним регистром после символа. Получим xQx+y.

Предположим, что атом этого элемента испустил одну альфа-частицу (α). Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно, ее атомное число 2, а атомный вес 4. Это выглядит как 2α4.

То, что остается от исходного атома после выхода α-частицы должно содержать x - 2 протона и y - 2 нейтрона. Атомное число уменьшается на 2, атомный вес - на 4.

xQx+y → x-2Qx+y-4 + 2α4

Если же исходный атом испустил бета-частицу (β) ситуация будет иной. Выход β-частицы (электрона) означает, что внутри ядра один нейтрон превратился в протон. Значит, теперь количество протонов в ядре будет x + 1, а нейтронов y - 1. Атомное число увеличится на 1. В то же время атомный вес останется прежним, так как x + 1 + y - 1 = x + y (однако здесь x больше на единицу чем был, а y - меньше).

Атомный вес самой β-частицы практически равен 0 (точнее, 0,00054). Так как атомное число равняется числу положительно заряженных частиц в ядре и так как β-частица является электроном, а следовательно, обладает единичным отрицательным зарядом, ее атомное число равняется -1. Таким образом, бета-частицу можно обозначить как -1β0, а процесс выхода как

xQx+y → x+1Rx+y + -1β0

Обратим внимание, что в обоих уравнениях сумма атомных чисел правой части равняется сумме атомных числе левой части в соответствии с законом сохранения электрического заряда. То же можно сказать и об атомных весах (согласно закону сохранения массы). В данном случае небольшими изменениями массы при переходе ее в энергию можно пренебречь.

Гамма-луч обозначается греческой буквой γ. Гамма-излучение является электромагнитным, следовательно, не имеет ни атомного веса, ни атомного числа.

xQx+y → xQx+y + 0γ0

Слабое радиоактивное излучение урана с атомным весом 238 высокой очистки состоит из α-частиц. Испускание α-частицы уменьшает атомное число атома урана с 92 до 90, то есть до атомного числа тория, а атомный вес - до 234.

92U238 → 90Th234 + 2α4

Атом тория, полученный в результате распада атома урана, отличается от атома тория, содержащегося в руде. Атомный вес последнего 232. Это два изотопа одного элемента.

Процесс распада тория-232 идет очень медленно, именно поэтому этот элемент до сих пор присутствует в земной коре. Атом тория испускает альфа-частицу и его атомное число падает до 88, то есть до радия.

90Th232 → 88Ra228 + 2α4

С другой стороны, процесс распада атомов тория-234 идет крайне быстро, и именно поэтому в природе этот элемент встречается только в исчезающе малых количествах в урановой руде. Более того, при распаде тория-234 выделяется β-частица, что приводит к увеличению атомного числа до 91, то есть до протактиния:

90Th234 → 91Pa234 + -1β0

После выхода альфа- или бета-частицы образуется атом другого элемента. Однако у такого атома заряд ядра может оказаться выше, чем у основного атома этого элемента. После возврата в прежнее состояние атом испускает гамма-луч. В некоторых случаях это происходит не сразу, атом существует какое-то время, а радиационное излучение его возбужденного ядра обладает уникальными характеристиками. Для обозначения наличия возбужденного ядра символ элемента помечают звездочкой. В процессе образования протактиния-234 его ядро переходит в возбужденное состояние:

91Pa234* → 91Pa234 + 0γ0

В 1936 году Лизе Майтнер предложила называть атомы с одинаковыми атомными числами и атомными весами, но различающиеся структурой ядра, изомерами (не путать с изотопами). Первый случай ядерной изомерии был зафиксирован на примере протактиния-234 еще в 1921 году Отто Ганом.