Ионизирующее излучение — откуда.

Как-то Фредерик Содди взял стеклянную трубочку с радием и фотопластинку в светонепроницаемой кассете и стал водить трубочкой, как карандашом, по кассете. Лучи радия прошли сквозь кассету и на фотопластинке отпечатались слова «Writing radium» — «Написано радием».

Кстати, уран, как металл, был известен химикам еще с 18-го века, его изучали и в чистом виде, и в соединениях. На первый взгляд в нем нет ничего необыкновенного. По виду он похож на серебро, по тяжести - на платину, химические свойства у него почти такие же, как у вольфрама. Химики всегда были твердо убеждены, что уран — самый заурядный металл. Использовали его, главным образом, для окрашивания стекол и керамики в желто-зеленый цвет.

Ученые-химики утверждали, что нет никаких новых радиоактивных веществ, кроме уже известных — урана и тория. Чтобы доказать скептикам их неправоту, выделить новые элементы и измерить их атомные веса («Нет атомного веса, нет и радия. Покажите нам радий, и мы поверим» — так говорили химики), супругам Кюри понадобится четыре года упорного труда. Собственными руками Кюри перерабатывают 8 тонн урансодержащей руды и выделяют из нее 0,4 грамма (!) радия.

Вот что писала М.Кюри о том времени первых открытий, о годах работы в старом сарае (там была оборудована их лаборатория), когда они химически выделяли радий и полоний, измеряли их атомные веса и интенсивность излучения: «У нас не было ни денег, ни лаборатории, ни помощи, чтобы хорошо выполнить эту важную и трудную задачу. Требовалось создать нечто из ничего, …я могу сказать без преувеличений, что этот период был для меня и моего мужа героической эпохой в нашей совместной жизни,...мы с головой ушли в новую область, которая раскрылась перед нами благодаря неожиданному открытию».

Вскоре Анри Дебьерн, сотрудник супругов Кюри, выделил еще один элемент, обладающий свойством радиоактивности. Элемент был назван просто — актиний. После этого поиски новых радиоактивных элементов пошли быстрее — сразу в нескольких странах обнаруживают мезоторий, радиоторий, ионий, протактиний, радиосвинец. Человек с изумлением обнаруживает, как много радиоактивных веществ его окружает. Все они существуют в природе и могут быть не только твердыми, но и газообразными — Резерфорд и Содди наблюдают испускание радием радиоактивного газа, названного ими эманацией радия (сейчас его называют радон).

В 1903 году Уолтер Рамзай и Фредерик Содди обнаруживают, что радий непрерывно выделяет также небольшое количество газа гелия. Так был обнаружен первый пример ядерного превращения. Позднее, уже работая в Англии, Резерфорд и Содди, опираясь на гипотезу, высказанную Марией Кюри, публикуют «Теорию радиоактивных превращений», в которой утверждают, что радиоактивные элементы, даже когда кажутся неизменными, находятся в состоянии самопроизвольного распада: чем быстрее процесс их превращения, тем больше их активность. Определение, данное Резерфордом и Содди, таково: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу (именно она и представляет собой радиоактивное излучение) и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного. Образовавшийся атом также может испытать радиоактивный распад. Следствием этого утверждения является вывод о существовании целых радиоактивных семейств, первый элемент которых радиоактивен, а последний стабилен.

После знакомства с этой теорией Пьер Кюри заявил: «Это настоящая теория превращения простых тел, но не такого, как мыслили алхимики. Неорганическая материя будет веками непреложно эволюционировать по незыблемым законам».

Изучая радиоактивность, ученые наблюдали превращение одних химических элементов в другие, которые также могли быть радиоактивными. Оптимизм этого периода «описательного» изучения природы, когда эксперименты проводились над различными естественными веществами и их соединениями, обладающими свойством радиоактивности, в конце концов сменился некоторым недоумением: когда новых радиоактивных элементов стало достаточно много, неожиданно выяснилось, что всех их невозможно распределить по еще остающимся свободным местам в периодической таблице элементов. Новые элементы отличались по атомному весу, имели часто и различия в характеристиках радиоактивного распада, однако их химические свойства были совершенно одинаковы, из чего следовало, что все они должны быть помещены в одну клеточку таблицы элементов. Таких новых элементов было выявлено почти 40. Было, например, обнаружено, радиоактивное вещество, которое назвали «радий G». Химически оно было тождественно свинцу, но обычный свинец не радиоактивен. Места для этого нового элемента в таблице Менделеева не было. Затем были обнаружены три газообразных продукта радиоактивного распада, для которых также не было места в таблице (см. цветную вкладку).

Совершенствование измерительной аппаратуры позволило получить точные данные для атомных весов этих новых элементов. Оказалось, что дробные значения, которые обычно указываются в периодической таблице в качестве атомных весов элементов, являются лишь средними арифметическими атомных весов всех изотопов данного элемента. Точный же атомный вес каждого изотопа оказался кратен атомному весу водорода.

Гипотеза подобного содержания была высказана английским врачом и химиком У.Праутом еще в начале 19-го века: если полагать, что мир построен из атомов, то разумно также считать, что все атомы сконструированы из вполне определенных унифицированных деталей. В качестве такой детали Праут предлагал принять наиболее легкий и простой атом — атом водорода. Дальнейшие измерения атомных весов химических элементов показали, что эти атомные веса имеют дробные значения, так что гипотеза Праута на время — примерно один век — была отвергнута. Предположение о том, что в природе существуют разновидности химических элементов с разными атомными весами и несколько отличающимися физическими свойствами, высказал Фредерик Содди уже в начале 20-го века. Эти разновидности и должны занимать одно и то же место в периодической системе элементов. Они получили название изотопов.

Разные изотопы имеют равные количества протонов, а, следовательно, и электронов на околоядерных орбитах (напомним, что полный электрический заряд ядра равен нулю). Именно поэтому химические свойства изотопов одинаковы — ведь они определяются именно этими, заряженными, компонентами атомов, затрагивают только их электронные оболочки. Это касается всех основных химических реакций — горения, окисления, восстановления. Однако количество нейтронов в ядрах изотопов различно, что и приводит к различиям в атомных весах и в физических свойствах. Если мы вспомним, что масса нейтрона практически точно равна массе протона, то нам станет ясно, почему гипотеза Праута вернулась к жизни — масса атома водорода крайне мало отличается от массы протона (лишь на малую величину массы электрона).

Мы уже говорили, что радиоактивные элементы образуют семейства, каждый из его членов рождается в результате самопроизвольного распада материнского вещества: радий – потомок урана, полоний – потомок радия.

Каждый радиоактивный элемент теряет половину своей массы за одно и то же время – период полураспада (за это время половина ядер претерпевает радиоактивный распад, превращаясь в другой химический элемент). Масса урана уменьшится наполовину за несколько миллиардов лет, радия – за 1600 лет, масса газа радона — за 4 дня, "потомкам" эманации радия, для того, чтобы распалась половина радиоактивных атомов, нужно всего несколько секунд. В таблице приведены некоторые сведения о периодах полураспада для наиболее распространенных природных изотопов (характеризовать радиоактивные свойства ядер временем, за которое распадается половина имеющихся в наличии ядер, было предложено Резерфордом).

Из всего множества радиоактивных элементов, пожалуй, самый заметный вклад в развитие фундаментальной науки и техники внес радий — химический элемент, открытый супругами Кюри. Соединение радия с хлором в чистом состоянии представляет собой белый тусклый порошок, похожий на обычную поваренную соль. Но излучение радия в 2 миллиона раз сильнее, чем излучение урана. Именно излучение радия было разложено в эксперименте на три компоненты и установлено, что эти лучи способны проходить сквозь самые светонепроницаемые материалы. Лишь толстый свинцовый экран оказался способен остановить поток невидимых лучей, испускаемых радием.

Радий светоносен, излучаемый небольшим количеством радия свет имеет достаточную силу, чтобы читать в темноте. Радий заставляет фосфоресцировать многие тела, сами по себе неспособные излучать свет. Увидев свечение радия, Пьер Кюри сказал друзьям: «Вот свет будущего!» Ученый оказался прав — открытие радиоактивности изменило не только наши представления об устройстве материального мира, но и наши возможности обеспечивать процесс его познания и реализации гуманитарных планов человеческой цивилизации. Проще говоря, у человека появилась возможность добывать энергию из атомных глубин и использовать ее во благо.

Таблица основных физических характеристик естественных радионуклидов.

Название	Символ	Число протонов (Z)	Число нуклонов (Z+N)	Период полураспада	Вид излучения
Уран	U			7 ×10^8 лет	a, g
Протактиний	Pa			3,4 ×10^4 лет	a, g
Торий	Th			1,4 ×10^10 лет	a, g
Актиний	Ac			22 года	b, g
Радий	Ra			1860 лет	a, g
Радон	Rn			3,8 суток	a
Полоний	Po			138 суток	a
Свинец	Rb			22 года	b, g
Калий	K			4,5 ×10^8 лет	b, g
Уран	U			4,5 ×10^9 лет	a

Но нельзя было оставить рядом с пробиркой какой-либо предмет, растение, животное или человека, чтобы на них тотчас же и заметно не повлияла активность радия. Из записей Марии Кюри: «При исследовании сильно радиоактивных веществ надо принимать особо тщательные предосторожности, если хочешь ставить продолжительные тонкие опыты. Различные предметы, употребляемые в химической лаборатории и те, которые необходимы для физических экспериментов, незамедлительно сами становятся радиоактивными и начинают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Пыль, воздух в комнате, сам одежда делаются радиоактивными. Воздух превращается в проводник электричества. В той лаборатории, где мы работаем, эта напасть приобрела такую остроту, что мы уже не в состоянии иметь ни одного вполне приличного изолированного аппарата». Даже через 30-40 лет после смерти супругов Кюри их записные книжки все еще будут проявлять живую активность и действовать на измерительные приборы.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открывают явление искусственной радиоактивности: определенные вещества, например, алюминий, подвергнутые облучению альфа-частицами, превращаются в новые, неизвестные в природе радиоактивные изотопы, которые сами становятся источниками излучения.

Особую роль при получении искусственных изотопов сыграли нейтроны. Причина особой роли и возможностей нейтронов понятна: электрически незаряженные частицы могут эффективнее проникать в положительно заряженное ядро. На сегодня известно около 1700 искусственных радионуклидов, получаемых при действии нейтронов на ядра стабильных элементов. Сравните — естественных радиоактивных элементов всего около 300.

Так через 40 лет после своего открытия уникальность естественной радиоактивности потеряла свое значение — человек научился превращать стабильные вещества в радиоактивные, бомбардируя их альфа-частицами и нейтронами.

Добавим еще вот что. Наука описывает наблюдаемые события — процессы, реакции, эффекты, происходящие в пространстве и времени, как соотношения между числами и символами. Эти формулы, как мы надеемся и как показывает проверка экспериментом, правильно отражают причины и следствия процессов в физическом мире, окружающем человека. Однако в эти соотношения должен быть заложен верный масштаб, который определяет истинную значимость эффекта (или скорость реакции, или величину взаимодействия) по отношению к некоторой выбранной для данной изучаемой области явлений единице измерения. Так, для измерения способности вещества проявлять свою радиоактивную природу, выбрана величина, названная активностью. Активность — всего лишь число радиоактивных распадов в секунду. Естественно, это число пропорционально количеству (массе) имеющегося радиоактивного вещества.

За единицу измерения активности ранее принималась величина в 1 Кюри (Ки). 1 Ки соответствует 37 миллиардам распадов в секунду (именно такую активность имеет 1 г радия). Сейчас представляется более удобным использовать намного меньшую величину — беккерель (Бк). 1 Бк — это 1 распад в секунду, т.е. 1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк. Почему беккерели удобнее кюри (хотя и несколько маловаты для реальных измерений) — это станет ясно, когда мы будем обсуждать радиоактивность окружающей среды.

Вновь дадим строгое научное определение: ионизирующее излучение — это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в ней электрических зарядов разных знаков. Какие же детали в устройстве атома ответственны за появление излучения? В чем принципиальное отличие механизмов возникновения рентгеновского и радиоактивного излучения?

Вернемся к основным положениям квантовой механики, теории, сформулированной в начале 20-го века и надежно проверенной экспериментально, описывающей движение и взаимодействие микрочастиц. Вообще говоря, последовательность шагов в научных исследованиях была следующей: после доказательств того факта, что атом действительно существует, выяснилось, что состоит он из ядра и электронов. Кроме того, было доказано, что атом способен испускать лучи разной энергии, а эти лучи как-то связаны с разными типами движения электронов в атоме. Вот для объяснения, как движутся и взаимодействуют электроны в атоме и как математически описывать это движение, и была создана квантовая механика. Одним из фундаментальных ее постулатов является принцип квантования движений микрообъектов в замкнутом пространстве.

Исходно этот постулат был высказан Нильсом Бором в 1913 году: электрон, вращающийся около атомного ядра, может иметь лишь вполне определенные, дискретные (квантованные) значения энергии и момента количества движения. Эти значения зависят от заряда ядра и определяют набор разрешенных для движения электрона орбит.

В соответствии с принципом запрета Вольфганга Паули — в природе нет двух абсолютно тождественных микрочастиц (иначе говоря, в состояниях с одинаковой энергией может находиться не более двух электронов, отличающихся проекцией спина — некоторой специфической характеристики микрообъектов), на ближайшей к ядру орбите может находиться не более двух электронов, на следующей — не более 8, на третьей орбите — 18 электронов и т.д. Именно такое распределение электронов по орбитам вокруг ядра объясняет структуру периодической таблицы элементов Менделеева и разнообразные химические свойства элементов.

Количество электронных орбит (их принято называть оболочками) и степень их заполненности определяются типом ядра, интенсивностью создаваемого им физического поля. Атомное ядро непрерывно испускает и поглощает кванты различных физических полей, поскольку внутриядерные частицы есть непременные участники нескольких различных типов взаимодействий: сильного, электромагнитного и слабого (именно это взаимодействие ответственно за бета-распад ядра, при котором из него, а не из электронной оболочки, испускается электрон). Квантовый характер микромира означает, что энергия атома не произвольна, а принимает дискретные, отдельные значения, набор этих значений образует энергетический спектр атома. Переход между двумя энергетическими уровнями в спектре сопровождается поглощением или излучением строго фиксированной порции энергии — кванта энергии. Величина этой порции равна расстоянию между ступеньками-уровнями «энергетической лестницы» микрочастицы. Переходы же со ступеньки на ступеньку неизбежно происходят, поскольку атомы взаимодействуют с внешней средой, обмениваясь энергией.

Чем на более высокой орбите, т.е. чем дальше от ядра, находится электрон, тем слабее он связан с ядром. При получении атомом дополнительной энергии (например, при электромагнитном его облучении) электрон с нижней орбиты, получив порцию энергии, переходит на орбиту, более удаленную от центра атома — ядра. Теперь у него появляется возможность оторваться от ядра. И если энергия, полученная электроном, превысит энергию его связи с ядром, атом лишается одного электрона, превращаясь в положительно заряженную частицу — положительный ион (это положительно заряженный «остаток» атома, в котором положительный заряд ядра теперь не полностью компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки). Масса такого иона практически точно равна массе исходного нейтрального атома. Напомним, что альфа-частица — это результат двукратной ионизации атома гелия, когда оба электрона отрываются от первоначального атома.

Точно так же, как атом в целом или его ядро могут поглощать энергию отдельными порциями, двигаясь при этом вверх по «энергетической лестнице» — спектру энергий, квантовая микросистема — атом при переходе с верхнего энергетического уровня на более низкий — излучает порцию энергии. Электромагнитное излучение атома оказывается квантованным, проявляющим в определенных условиях свойства потока частиц. Кванты электромагнитного излучения называют фотонами или гамма-квантами.

Поскольку мы все время говорим об энергетических характеристиках атома или его излучения, давайте пользоваться специальной единицей измерения энергий: 1 электрон-Вольт — это энергия, получаемая электроном, когда он проходит ускоряющую разность потенциалов в 1 Вольт. Теперь можно сравнить возможности ионизации различных атомов. Так, для того, чтобы ионизовать атом цезия, достаточно придать электрону на его внешней оболочке энергию в 3,9 эВ. Для ионизации же атома гелия необходимо, как минимум, 24,6 эВ. Ионизация различных газов требует еще большей энергии: от 26 эВ для метана до 34 эВ для воздуха.

Каковы же энергии излучения атомов? Напомним, что переходить со ступеньки на ступеньку в спектре энергий могут как электроны, распределенные по оболочкам в соответствии с принципом Паули, так и само атомное ядро, как система сильно взаимодействующих микрочастиц — нуклонов. При перестройке внешних электронных оболочек атомов образуются фотоны с небольшой энергией. Так, например, рождается видимый солнечный свет, кванты которого имеют энергии примерно 1,8 – 3 эВ. Понятно, что энергии такого излучения недостаточно, чтобы сорвать электроны (ионизировать) с внешних оболочек любых атомов (для ионизации требуются энергии, как минимум, больше 3.9 эВ). Но может быть переход атомного ядра между возбужденным и основным (наинизшим энергетическим) состоянием сопровождается излучением более высокой энергии? Именно так: характерные энергии такого излучения лежат в интервале от 1 до 3 МэВ (1МэВ = 10⁶ эВ). А какова же энергия рентгеновских всепроникающих Х-лучей?

Теперь мы точно знаем механизм возникновения излучения, открытого Рентгеном. Ускоряясь в вакуумной трубке под действием электрической разности потенциалов, электроны врезаются на огромной скорости в положительно заряженный анод и резко тормозятся атомами анода. В результате этого процесса возникает целых два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Первое появляется за счет потери энергии быстро движущимся электроном при его резком торможении в поле ядра (атома анода). Поскольку тормозится свободный, не связанный внутри атома, электрон, то энергетический спектр его излучения непрерывен, не имеет дискретного характера. Характеристическое же, дискретное излучение возникает в результате того, что налетающие на атомы анода электроны могут выбить электроны из оболочек этих атомов. Причем выбивание электрона из низколежащей, близкой к ядру орбиты, означает появление на его месте «дырки», которая тут же занимается каким-нибудь электроном с более высокой орбиты. Такой переход электрона с верхней энергетической орбиты на нижнюю сопровождается излучением, имеющим четкую квантованную природу. Энергии рентгеновских квантов могут достигать десятков (почти до 100) кэВ (1 кэВ = 10³ эВ), так что ионизация атомов внешней среды этим излучением вполне возможна. Именно поэтому гамма- и рентгеновское излучения называют ионизирующими излучениями.

Теперь нам понятно, что отличает рентгеновское излучение от излучения, открытого Беккерелем: радиоактивное излучение трехкомпонентно, наряду с гамма-компонентой в нем присутствуют бета-электроны (продукты перехода нейтрона в протон, обусловленного так называемым слабым взаимодействием нуклонов) и альфа-частицы (также результат слабых взаимодействий групп нуклонов внутри ядра). Кроме того, гамма-кванты радиоактивного распада имеют более высокие энергии, чем рентгеновские фотоны, поскольку их порождают переходы самого ядра между его энергетическими уровнями, тогда как рентгеновское излучение — это излучение электронов.

Дата добавления: 2015-07-13