Радиоактивность — это явление, при котором нестабильные атомные ядра распадаются, испуская излучение. Этот процесс может приводить к образованию новых элементов и часто сопровождается выделением большого количества энергии.
Что это такое?
Радиоактивный распад подчиняется соответствующему закону. В ходе распада нестабильные атомные ядра распадаются, излучают радиацию и превращаются в более стабильные формы. Длительность жизни радиоактивного материала характеризуется понятиями «период полураспада» и «активность».
Период полураспада – это время, за которое половина количества радиоактивного изотопа распадется. Например, у изотопа углерода-14 период полураспада составляет около 5730 лет. Активность радиоактивного вещества описывает количество распадов. Чем больше активность, тем более опасным может быть вещество, так как оно излучает больше радиации. Данное явление окружает нас в повседневной жизни. Например, солнце радиоактивно, как и его излучение.
Существует три основных типа радиоактивного распада: альфа-, бета- и гамма-распад. В процессе альфа-распада атом теряет два протона и два нейтрона, создавая альфа-частицу (ядро гелия). Во время бета-распада нейтрон превращается в протон, испуская электроны (бета-частицы) и антинейтрино. Этот процесс приводит к увеличению заряда ядра. И при гамма-распаде происходит испускание гамма-квантов — высокоэнергетического электромагнитного излучения, без изменения количества протонов и нейтронов в ядре. Он часто сопутствует альфа- и бета-распаду и служит способом освобождения избыточной энергии.
Радиоактивный распад играет важную роль не только в ядерной физике, но и в таких областях, как датировка (например, углеродный метод), медицинская диагностика (радиоизотопы в терапии), а также в понимании процессов в звездах и космосе.
Как и кем была открыта радиоактивность, как развивались технологии, основанные на этом свойстве веществ? Посмотрим, что для нас сохранила история радиоактивности.
Предпосылки открытия
Открытию радиоактивности способствовали открытия в сфере атомистики, электричества, магнетизма и даже геологии.
В XIX веке развивалась атомная теория, предложенная такими учеными, как Джон Дальтон и Дмитрий Менделеев. Дальтон в 1803 году предложил представление о том, что все вещества состоят из атомов, которые являются мельчайшими неделимыми частицами. Менделеев организовал элементы в таблице, что способствовало пониманию их свойств, включая их поведение при химических реакциях.
В конце XIX века ученые как никогда тесно занимались изучением электричества и магнетизма. Работы Джеймса Клерка Максвелла и Эрнста Этвеша показали связь между электрическими и магнитными явлениями, что в конечном итоге привело к лучшему пониманию электромагнитного излучения.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновские лучи, которые стали первыми известными примерами высокоэнергетического излучения. Работая с катодными лучами в вакуумной трубке, Рентген заметил, что экран, покрытый фосфором, светится, хотя находился на расстоянии от трубки. Ученый решил провести эксперименты и обнаружил, что эти невидимые лучи могут проникать через различные материалы, включая ткани, дерево и даже металл. Он наметил основные свойства рентгеновских лучей, такие как их прямолинейное распространение, способность вызывать флуоресценцию и их проникающую способность.
Также внимание ученых привлекали исследования минералов, содержащих уран. Уран был впервые изолирован в 1789 году немецким химиком Мартином Хендриком Клапротом. Он назвал новый элемент по имени древнегреческой планеты Урана. К началу ХХ века начались более глубокие исследования радиоактивности. В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что урановые соли спонтанно излучают лучи, которые могут заряжать фотографические пластины. Это стало первым шагом к открытию радиоактивности.
Кто, как и когда?
Открыли радиоактивность супруги Кюри в начале ХХ века. Мария Кюри, урожденная Складовская, начала свои исследования в Париже, где встретила Пьера Кюри. Они вместе начали систематическое изучение урана и других минералов, таких как питцерит и торий, а также их изотопов и свойств излучения от них. В 1898 году, после двух лет напряженной работы, они сделали выдающееся открытие: наряду с ураном существуют и другие элементы, испускающие радиоактивные лучи.
Кюри обнаружили два новых элемента: полоний и радий. Полоний был назван в честь родины Марии Кюри — Польши, а радий получил своё название от слова «радиация». Полоний оказался практически немедленно интересным для научного сообщества благодаря своим сильным радиоактивным свойствам, но его выделение из руды требовало огромных усилий, поскольку он встречался в очень малых количествах.
Радий обладал еще большей радиоактивностью и продолжительным периодом полураспада, его смогли выделить из урановых минералов, а именно из больцита. Эти элементы были получены из бомбардировки уранового рудника, таким образом, они стали первым открытым источником радиоактивности. Кюри применяли метод масс-спектрометрии и методы количественного анализа, что позволяло им точно измерять уровень радиации и концентрацию открываемых элементов в образцах.
В 1903 году Мария и Пьер Кюри совместно с Анри Беккерелем стали лауреатами Нобелевской премии по физике за свои исследования радиоактивности. В 1911 году Мария Кюри получила вторую Нобелевскую премию, на этот раз в области химии, за открытие радия и полония.
Анри Беккерель стал первым, кто «увидел» радиоактивность, но осмыслили ее уже супруги Кюри. Однако сотрудничавший с ними Беккерель, хоть и «отдал» открытие коллегам, внес вклад в описание свойств излучения. Ученый на публичной лекции хотел продемонстрировать радиоактивное вещество (ведь в те времена еще никто не знал о том, насколько это опасно), для этого взял пробирку с ним у Кюри. Беккерель хранил вещество в кармане жилета, а на следующий день обнаружил покраснение в форме пробирки на коже. Он рассказал о случившемся Пьеру Кюри. Отважный ученый провел опыт на себе и привязал к руке пробирку с радием, получив тяжелейшую язву, от которой Кюри не мог избавиться еще два месяца. После этого стало понятно, что радиоактивность воздействует и на живые организмы.
Развитие технологии
В 1938 году физики Отто Ган и Фриц Штрассман в Берлине сделали важное открытие, связанное с ураном. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами происходит деление атомных ядер, что высвобождает большое количество энергии. Это открытие стало основой для создания как ядерного оружия, так и ядерных реакторов. Важно отметить, что это было вызвано не только физическими свойствами урана, но и его аномально высокой нейтронной собственностью.
Радиоактивность применяется в разных сферах. В медицине изотопы используются для диагностики и лечения заболеваний, например, радиационная терапия при лечении онкологии. В энергетике используется цепная реакция деления ядер урана, которая приводит к выделению большого количества энергии, используемой для получения электричества. В археологии и геологии радиоактивные изотопы используют для изучения возрастов горных пород и событий в истории Земли.
Открытию радиоактивности способствовали работы многих ученых. Такое сложное явление долго осмысливалось, этот процесс до сих пор продолжается. Ученые, стоящие у истоков изучения радиоактивности, ставили под угрозу свою жизнь. Радиоактивность — это сложное и важное явление, имеющее как положительные, так и отрицательные последствия для общества. Понимание свойств и механизмов радиоактивных процессов позволяет эффективно использовать их в науке и медицине, а также минимизировать риски для здоровья.