Физические основы радиоэкологии

Основные представления о радиоактивности

Когда мы обращаемся к открытию явления радиоактивности, необходимо помнить, что в конце XIX в. представления ученых о строении материи радикально отличались от современных. Не было не только каких-либо представлений о наличии у атомов ядер, но даже электрон был только что открыт. Явление спонтанного испускания проникающей, ионизирующей радиации атомами четырех элементов М. Кюри в 1898 г. назвала радиоактивностью.

Эксперименты, осуществленные Резерфордом в 1899 г., позволили ему утверждать, что радиоактивные вещества испускают более чем один вид излучений, см. рис. 1.7 Он назвал менее проникающее излучение а-лучами, а более проникающее — Р-лучами. В 1900 г. П. Виллард показал, что имеет место и третий тип излучения — у-излучение — электромагнитное излучение, подобное рентгеновскому. Через три года Резерфорд показал, что а-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия (рис. 2.1).

Резерфорд и Содди обнаружили, что радиоактивность связана с изменениями внутри атомов, в результате которых один химический элемент переходит в другой. Наблюдая такие превращения, Резерфорд и Содди сформулировали экспоненциальный закон радиоактивного распада.

Рис. 2.1. Схематическое представление радиоактивных превращений.

Только в 1911 г. Резерфорд обосновал существование атомных ядер и предложил планетарную модель атома. Стало понятным, что в основе явления радиоактивности лежат не атомные, а ядерные превращения. Поскольку термин «атомное ядро — нуклид» появился более чем через 10 лет после открытия радиоактивности, в повседневный лексикон, а затем и в радиоэкологию достаточно прочно вошли термины, образованные от слова атом.

Природа рентгеновского излучения оставалась непонятной до 1912 г., когда было однозначно доказано, что это — возникающие при внутриатомных превращениях электромагнитные колебания, такие же, как и видимый свет, но с существенно меньшими длинами волн.

Попытки обнаружить «положительный электрон» привели к обнаружению частиц с единичным положительным зарядом и массой — М_р почти в —1840 раз большей, чем масса электрона, т. е. массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эту частицу стали называть протоном. Затем в 1932 г. Дж. Чедвиком был открыт нейтрон и почти сразу появилась протон-нейтронная модель строения атомных ядер^[1]. Согласно ей, ядро состоит из Z протонов и N нейтронов, Z + N = А, где А называется массовым числом. Протоны и нейтроны, как составные части ядра, получили название нуклонов. Размеры нуклонов — г₀ — 1,3−10^-13 см и, следовательно, таков размер ядра атома водорода. Ядерная материя «практически» несжимаема, поэтому объем ядра, состоящего из А нуклонов, будет в, А раз больше объема одного нуклона. Радиус сферического ядра можно записать в виде R = г₀-А^1/3.

Атомные ядра принято называть нуклидами. Этому определению мы будем следовать, когда перейдем к рассмотрению радиоэкологических проблем. Широкое распространение получило следующее символическое изображение нуклидов (и атомов) $Х, где X — символ элемента в Периодической системе элементов. Например, основной изотоп углерода символически записывается в виде ³|С. Символ элемента в Периодической системе и величина заряда ядра однозначно связаны друг с другом, поэтому нижний индекс часто не указывают и пишут, например, просто ¹²С. Схематическое представление ядра ¹²С дано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схематическое представление ядра ¹²С Число нейтронов у атомов данного элемента может быть разным, и нуклиды с данным значением Z, но разными значениями А называются изотопами. Например, стабильную во времени комбинацию с шестью протонами могут образовывать не только шесть нейтронов, но и семь. Поэтому в окружающем нас мире существует два стабильных изотопа углерода: ¹²С и ¹³С.

С данным числом нейтронов может объединяться в нуклиды разное число протонов. Нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов называются изотонами. Например, изотонами являются^Si, isР и которые содержат по 16 нейтронов на ядро. Нуклиды с одним и тем же числом нуклонов, но принадлежащие разным элементам, называются изобарами, например^Ge и 34 Se.

К 2018 г. ученые открыли и проанализировали свойства ядер не менее чем 112 химических элементов^[2]. Несмотря на то, что число химических элементов довольно велико, все атомные ядра образованы элементарными частицами только двух типов — протонами и нейтронами. Между протоном и протоном, нейтроном и нейтроном и протоном и нейтроном действуют одни и те же ядерные силы. Однако между протонами имеет место еще и кулоновское отталкивание.

• [1] В 1932 г. Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о том, что атомныеядра состоят из протонов и нейтронов.
• [2] К началу 2005 г. можно было с большой долей уверенности сказать, что открытыи исследованы ядра до Z = 114. Последним элементом, получившим свое название, являлся Рентгений: Z = 111. В то же время в научной литературе имеются работы, в которых утверждается об открытии и исследовании отдельных изотопов тяжелых ядервплоть до ядер с Z = 118.