Радиоактивность - радиоактивный распад, деление ядер атомов, любые радиоактивные превращения - это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных частиц высоких энергий. При этом в большинстве случаев ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. То есть радиоактивные превращения - это превращения атомов одних химических элементов (изотопов) в атомы других элементов (изотопов).

Радиация смертельно опасна, при больших дозах она вызывает серьезнейшие поражения тканей, а при малых может вызвать рак и индуцировать генетические дефекты, которые, возможно, проявятся у детей и внуков человека, подвергшегося облучению, или у его более отдаленных потомков. Наибольшую дозу человек получает от естественных источников радиации например от применения рентгеновских лучей в медицине. Кроме того сжигание угля и использование воздушного транспорта.

И радиоактивность, и ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли.

Ионизирующее излучение сопровождало и Большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения.

В 1896 году французский ученый Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. После этого супруги Кюри обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием. И открытие Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более ранним, очень важным событием в научном мире - открытием в 1895 году рентгеновских лучей. Эти лучи были названы так по имени открывшего их (тоже, в общем, случайно) немецкого физика Вильгельма Рентгена.

Резерфорда и Кюри было установлено наличие, трёх видов радиоактивных излучений б, в, г - лучей.

Они обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма (рис.2).

Альфа-излучение, задерживается, например, листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

Рис. 2.

Как известно, каждый атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро же состоит из положительно заряженных частиц - протонов и не имеющих заряда - нейтронов. Сколько в ядре протонов, столько и электронов движется (вращается) вокруг ядра. Этому же числу равен и номер элемента в таблице Д.И. Менделеева.

А количество нейтронов может быть разным. Поэтому атомы одного и того же химического элемента могут иметь разный вес. Такие разновидности атомов называются изотопами.

Все виды самопроизвольных (спонтанных) радиоактивных превращений - процесс случайный, статистический. Все разновидности радиоактивных превращений сопровождаются как правило, за редким исключением, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения - гамма-излучения. Гамма-излучение - это поток гамма-квантов - порций энергии (квант - это порция), обладающих большой энергией и проникающей способностью.

Кроме этого радиоактивные превращения могут сопровождаться выделением рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение - это тоже электромагнитное излучение, это тоже поток частиц - фотонов - обычно с меньшей энергией. Только "место рождения” рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него "радиоактивных частиц”. Есть две основные разновидности радиоактивных превращений, два весьма сильно различающихся физических процесса: радиоактивный распад и деление ядер атомов.

Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся только количеством нейтронов в ядре и поэтому своим весом. Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома - водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа. Первый - это обычный водород, или протий, ядро которого состоит только из протона; его атомный вес равен единице, химический символ Н (или Н-1). Второй - дейтерий, или тяжёлый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; атомный вес - два, химический символ D (или Н-2). И тритий, в ядре которого один протон и два нейтрона; атомный вес - три, химический символ Т (или Н-3). Первые два изотопа стабильные, третий - тритий - радиоактивен. Подавляющее количество естественных (изначально имевшихся и имеющихся в природе) изотопов являются стабильными. Но есть и радиоактивные. Это - естественные радионуклиды (ЕРН). Их не очень много.

Кроме радиоактивных изотопов, есть, также и радиоактивные элементы. Это такие, у которых стабильных изотопов нет вообще - все изотопы радиоактивные. Это естественные элементы: уран, торий и продукты их превращений (распада) - радий, радон, полоний и некоторые другие, до талия включительно. А среди искусственных изотопов и элементов стабильных нет вообще. Все искусственные изотопы и элементы радиоактивны. Это и искусственные изотопы любых, давно известных и имеющихся в природе элементов, и искусственные элементы, которых до возникновения атомной энергетики в природе не было. К последним, прежде всего, относятся трансурановые актиноиды, а также и все последующие элементы 7-го периода таблицы Менделеева.

Для процессов радиоактивного распада характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа радиоактивных ядер. Продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом полураспада T 1/2, (промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое).

Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными, и тогда образованию стабильных нуклидов предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Характерными примерами систем, в которых происходят сложные радиоактивные превращения, являются радиоактивные ряды изотопов тяжёлых элементов. Многие радиоактивные ядра могут распадаться по двум или нескольким из перечисленных выше основных типов радиации. В результате конкуренции разных путей. распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью б - и в - распадов. Для трансурановых элементов наиболее типичны разветвления, связанные с конкуренцией б - (реже в-) распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер часто наблюдается конкуренция в+-распада и электронного захвата. Для многих ядер с нечётными Z (число протонов) и чётными А (массовое число) оказываются энергетически возможными два противоположных варианта в-распада: в - распад и электронный захват или в - и в +-распады.

Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники. За работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в том числе А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Сиборгу, У. Либби.

Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством радиоактивного излучения: речь идет о его воздействии на ткани живого организма. Беккерель положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокачественных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения. По крайней мере, 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

Несмотря на это, небольшая группа талантливых и большей частью молодых ученых направила свои усилия на разгадку одной из самых волнующих загадок всех времен, стремясь проникнуть в самые сокровенные тайны материи. К сожалению, результатам их поисков суждено было, воплотиться в атомную бомбу в 1945 году.

Взрывы этих бомб в конце второй мировой войны привели к колоссальным человеческим жертвам. Но практическим воплощением их поисков явилось также создание в 1956 году первой промышленной атомной электростанции в Колдер Холле (Великобритания). Следует добавить, что буквально с момента открытия рентгеновских лучей они стали применяться в медицине, и сфера их использования все расширяется.

Главным объектом исследования ученых был сам атом, вернее его строение. Мы знаем теперь, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам "планеты" - электроны. Размеры ядра в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом (рис.1).

Рис. 1

Некоторые нуклиды стабильны, т.е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. В качестве примера возьмем хотя бы атом урана-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (б-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома. Протактиний очень нестабилен, и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка, в конце концов, оканчивается стабильным нуклидом свинца. Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям.

При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно сказать (хотя это и не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это альфа-излучение: испускание электрона, как в случае распада тория-234, - это бета-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гамма-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц.

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 - очень медленно. Половина всех атомов протактиния в каком-либо радиоактивном источнике распадается за время, чуть большее минуты, в то же время половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет.

Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся, и так далее по экспоненциальному закону. Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью. Единицу измерения активности (в системе СИ) назвали беккерелям (Бк) в честь ученого, открывшего явление радиоактивности, один беккерель равен одному распаду в секунду.

Наиболее опасно для человека Альфа, Бета и Гамма излучение, которое может привести к серьезным заболеваниям, генетическим нарушения и даже смерти. Степень влияния радиации на здоровье человека зависит от вида излучения, времени и частоты. Таким образом, последствия радиации, которые могут привести к фатальным случаям, бывают как при однократном пребывании у сильнейшего источника излучения (естественного или искусственного), так и при хранении слаборадиоактивных предметов у себя дома (антиквариата, обработанных радиацией драгоценных камней, изделий из радиоактивного пластика). Заряженные частицы очень активны и сильно взаимодействуют с веществом, поэтому даже одной альфа-частицы может хватить, чтобы уничтожить живой организм или повредить огромное количество клеток. Впрочем, по этой же причине достаточным средством защиты от радиации данного типа является любой слой твердого или жидкого вещества, например, обычная одежда.

Основные характеристики ионизирующих излучений