Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения. Радиоактивные превращения Радиоактивные превращения атомных ядер определение

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления.

Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия за 1 ч выделяет 582 Дж энергии. И эта энергия выделяется непрерывно на протяжении ряда лет.

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы!

Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита многовековой давности об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди (1877-1956).

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число распадов в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле . Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Резерфорд предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то газ, который также является радиоактивным. Этот газ он назвал эманацией . Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически оказывается равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - α-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-из лучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь ос-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева и все его химические свойства.

Примечание

Литература

Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 351-353.

Тип урока
Цели урока :

Продолжить изучение явления радиоактивности;

Изучить радиоактивные превращения(правила смещения и закон сохранения зарядового и массового чисел).

Изучить фундаментальные экспериментальные данные, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии.
Задачи :
образовательная
развивающая
воспитательная

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок по теме « Радиоактивные превращения атомных ядер».

Учитель физики I категории Медведева Галина Львовна

Тип урока : урок изучения нового материала
Цели урока :

Продолжить изучение явления радиоактивности;

Изучить радиоактивные превращения(правила смещения и закон сохранения зарядового и массового чисел).

Изучить фундаментальные экспериментальные данные, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии.
Задачи :
образовательная - ознакомление учащихся с правилом смещения; расширение представлений учащихся о физической картине мира;
развивающая – отработать навыки физической природы радиоактивности, радиоактивных превращений, правил смещения по периодической системе химических элементов; продолжить развитие навыков работы с таблицами и схемами; продолжить развитие навыков работы: выделении главного, изложение материала, развитие внимательности, умений сравнивать, анализировать и обобщать факты, способствовать развитию критического мышления.
воспитательная – способствовать развитию любознательности, формировать умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.

Конспект урока:

Текст к уроку .

Добрый день все присутствующие на сегодняшнем нашем уроке.

Учитель: Итак, мы находимся на втором этапе исследовательской работы по теме «Радиоактивность». В чём он заключается? То есть сегодня мы будем изучать радиоактивные превращения и правила смещения. ---- Это предмет нашего исследования и соответственно тема урока

Оборудование для исследования : таблица Менделеева, рабочая карта, сборник задач, кроссворд (один на двоих).

Учитель, Эпиграф: «В свое время, когда явление радиоактивности было открыто, Эйнштейн сравнил его с добычей огня в древности, так как он считал, что огонь и радиоактивность-одинаково крупные вехи в истории цивилизации».

Почему он так считал?

Учащиеся нашего класса провели теоретические исследования и вот результат:

Сообщение учащегося:

1. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались α-,β-,γ-лучи, и за счет их энергии нагревался калориметр. Кюри определил, что 1 г радия выделяет за 1 час около 582 Дж энергии. И такая энергия выделяется на протяжении ряда лет.
2. Образовании 4г граммов гелия сопровождается выделением такой же энергии, как при сгорании 1,5-2 тонн угля.
3. Энергия, заключенная в 1г урана, равна энергии, выделяющейся при сгорании 2,5 т нефти.

На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не менялась. На него не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание или увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Каждый из нас не только находится «под присмотром» радиационной неусыпной «няньки», каждый из нас немножко радиоактивен и сам по себе. Источники радиации находятся не только вне нас. Когда мы пьем, мы с каждым глотком вводим внутрь организма какое-то число атомов радиоактивных веществ, то же происходит, когда мы едим. Более того, когда мы дышим, наш организм вновь получает из воздуха что-нибудь, способное к радиоактивному распаду - может быть, радиоактивный изотоп углерода С-14 , может быть калия К-40 или какой-то другой изотоп.

Учитель: Откуда же берется такое количество радиоактивности, постоянно присутствующей вокруг и внутри нас?

Собщение учащихся:

По данным ядерной геофизики в природе достаточно много источников природной радиоактивности. В породах земной коры, в среднем, на одну тонну пород приходится 2,5 – 3 грамма урана, 10 – 13 г тория, 15 – 25 г калия. Правда, радиоактивного К-40 всего до 3 миллиграмм на тонну. Все это обилие радиоактивных, неустойчивых ядер непрерывно, самопроизвольно распадается. Каждую минуту в 1 кг вещества земных пород распадается в среднем 60 000 ядер К-40 , 15 000 ядер изотопа Rb-87 , 2400 ядер Th-232 , 2200 ядер U-238 . Полная величина естественной радиоактивности - около 200 тыс. распадов в минуту. А знаете ли вы, что естественная радиоактивность различна у мужчин и женщин? Объяснение этого факта очевидно - мягкие и плотные ткани у них имеют различную структуру, по-разному поглощают и накапливают радиоактивные вещества .

ПРОБЛЕМА: Какие же уравнения, правила, законы описывают данные реакции распадов веществ?

Учитель: Какую проблему мы будем с вами решать? Какие пути решения проблемы вы предлагаете?

Учащиеся работают и делают свои предположения.

Ответы учеников:

Пути решения:

Ученик 1: Вспомнить основные определения и свойства радиоактивного излучения.

Ученик 2: Используя предложенные уравнения реакций (по карте), получить общие уравнения для радиоактивных реакций превращения с помощью таблицы Менделеева, сформулировать общие правила смещения для альфа- и бета – распадов.

Ученик 3 : Закрепить полученные знания, чтобы применять их для дальнейших исследований(решения задач).

Учитель.

Хорошо. Приступим к решению.

Этап 1.Работаем с картами . Вам даны вопросы, на которые вы должны дать письменные ответы.

Пять вопросов- пять правильных ответов. Оцениваем по пятибалльной системе.

(Дать время на работу, затем устно озвучиваем ответы, сверяем со слайдами, сами себе выставляем оценку, согласно критериям).

1. Радиоактивность - это…
2. α-лучи – это…
3. β-лучи – это….
4. γ-излучение - ….
5. Сформулировать закон сохранения зарядового и массового чисел.

ОТВЕТЫ И БАЛЛЫ:

ЭТАП 2. Учитель.

Работаем самостоятельно и у доски(3 уч-ся).

А) Записываем уравнения реакций, которые сопровождаются выделением альфа-частиц.

2. Написать реакцию α-распада урана 235 92 U.

3. .Напишите альфа-распад ядра полония

Учитель :

ВЫВОД №1:

В результате альфа- распада массовое число полученного вещества уменьшается на 4 а.е.м, а зарядовое число на 2 элементарных заряда.

Б) Записываем уравнения реакций, которые сопровождаются выделением бета- частиц(3 уч-ся у доски).

1. . Написать реакцию β-распада плутония 239 94 Pu .

2. Напишите бета-распад изотопа тория

3.Написать реакцию β-распада кюрия 247 96 Cm

Учитель : Какое общее выражение мы можем с вами записать и сделать соответствующий вывод?

ВЫВОД №2:

В результате бета-распада массовое число полученного вещества не изменяется, а зарядовое число увеличивается на 1 элементарный заряд.

ЭТАП 3.

Учитель: В свое время после того, как были получены данные выражения, ученик Резерфорда Фредерик Содди, предложил правила смещения для радиоактивных распадов , с помощью которых образовавшиеся вещества можно найти в таблице Менделеева. Посмотрим на полученные нами уравнения.

ВОПРОС:

1). КАКАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ АЛЬФА-РАСПАДЕ?

ОТВЕТ: При альфа – распаде образовавшееся вещество смещается на две клетки к началу таблицы Менделеева.

2). КАКАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ БЕТА-РАСПАДЕ?

ОТВЕТ: При бета – распаде образовавшееся вещество смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева.

ЭТАП 4.

Учитель. : И последний на сегодня этап нашей деятельности:

Самостоятельная работа (по сборнику задач Лукашика):

Вариант 1.

Вариант2.

ПРОВЕРКА: на доске, самостоятельно.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ:

«5» - выполнены з задания

«4»- выполнены 2 задания

«3»- выполнено 1 задание.

САМООЦЕНКА ЗА УРОК:

ЕСЛИ ОСТАНЕТСЯ ВРЕМЯ:

Вопрос к классу:

Какую тему вы сегодня изучали на уроке? Отгадав кроссворд, вы узнаете название процесса выхода радиоактивного излучения.

1. Кто из ученых открыл явление радиоактивности?

2.Частица вещества.

3. Фамилия ученого, определившего состав радиоактивного излучения.

4. Ядра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов – это…

5. Радиоактивный элемент, открытый супругами Кюри.

6. Изотоп полония альфа-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?

7. Имя женщины - ученой, ставшей Нобелевским лауреатом дважды.

8. Что находиться в центре атома?

Р а д и о а к ти в ный р а с п ад - э т о и с п у с ка ни е, в ыб р а с ы в а ни е с о гр о м ны м и с ко р о с т я м и из яд е р а т о м ов «эл е м е нт а р ны х» (а т о м ны х, с у б а т о м ны х )

ч а с ти ц, ко т о р ы е прин я т о н а зы ва т ь р а д и оак ти в ны м и ч а с ти ца м и и л и

р а д и оак ти в ным из лу ч е ни е м . При э т о м , в п одавляющ е м б ольш ин с т в е с лу ч а е в яд р о а т о м а (а з н а чит , и с ам а т о м ) о д ного химич е с кого эл е м е нта пр е в р а щ а е т с я в я др о а т о м а (в а т о м ) д р у г о г о х имич е с ко г о эле м е нт а и л и од ин и з о т о п д а нн о г о х имич е с ко г о эл е м е нт а пр е в р ащ а е т с я в д р у г о й из о т о п т о г о же эле м е нт а . Д л я естестве нн ы х ( п р и р о д н ы х ) р а д иону к л и д о в о с но в н ым и в и д а м и р а д иоак т и в но г о р а с па д а я вл я ют с я а л ь ф а - и б ет а- м ину с - р а с па д (хо т я в с т р е ч аю т с я и д р у г и е ) . Н а з ва ни я альфа и б е т а бы л и д а ны Э р н е с т о м Р е з е р фо р до м в 1 9 00 г оду при из у ч е нии р а д и оак ти в ны х из лу ч е ний . Д л я и с к у сс т ве нн ы х ( те хно г е нн ы х ) р а д иону к л и д о в к р о м е эт о г о х а р ак тер н ы т ак же н е й тр онн ы й , п р о т онн ы й , поз и тр онн ы й ( б ет а -п л ю с) и б о лее ред к и е в и ды р а с па д а и я дер н ы х п ре в р ащ е ний (м е з о нн ы й , К - з ахва т , из о м е р ный п е р ехо д , «о т кал ы в а ни е» и д р . ) .

АЛ Ь ФА -Р А С П АД a- р а с па д - в ыб р а с ы в а ни е (и с п у с ка ни е ) из яд р а а т о м а a- ч а ст и цы . a- ч а ст и ц а э т о2 п р о т о н а и 2 ней т р она, т о е с т ь ядро атома г е л и я с м а с с ой 4 ед ини ц ы и за р я д о м + 2 . С ко р о с т ь a -ч а с ти ц ы при в ы л е т е из яд р а о т 12 до 20 ты с . к м/ с ек.В вакуу м е a -ч а с ти ца м о г ла бы о б о г н у т ь з е мн о й ша р п о эква т о р у з а 2 с ек. Н ап р и ме р , п р и a - р а с па де у р ана в се г д а о б р азу етс я т о р и й , п р и a - р а с па де т о р и я - р а д и й , п р и р а с па де р а д ия - р а д он , за т ем по л он и й и након ец - св ин ец.

П р и э т о м из к о нк р ет но г о изо т опа у р ан а -2 3 8 об р азу етс я т о р ий-2 3 4 , за т ем р а д ий-2 3 0 , р а д о н -2 2 6 и т. д.

В Е Т А -Р А С ПАД b - р а с па д - и с пу с кани е о б ы ч н ы х э л е к тр оно в с за р я д о м -1 ( е - ) и л и поз и тр оно в - с за р я д о м + 1 (е + ) . Ско р о с т ь в ы л е т а b-ча с т иц из яд р а с о с т а вля е т 9 / 10 с ко р о с ти с в е т а - 2 7 0 0 0 0 к м/ с ек. Э т о с а м ый р а с п р о с т р а нѐн н ый в и д р а д и оак ти в ны х п р е в р ащ е ний , о с о б е н н о с р е д и и с ку с с т в е нны х р а д и о н у кл и до в . Н а б люда е т с я пр ак тич е с к и у в с ех из ве с тны х н а с е г од н я х имич е с к и х эл е м е нт о в .

Бе т а -мин ус р а с п ад – и с п у с ка ни е из яд р а эл е к т р о н а, о бр а з овав ш е г о с я в р е з ул ь т а т е с а м о пр о из воль н о г о п р е в р ащ е ни я од н о г о из н е йт р о н ов в пр о т о н и элек тр о н . При э т о м т яж ѐ л ый п р о т о н о с т а ѐ т с я в яд р е, а л ѐг к ий эл е к т р о н - ч а с ти ца - с о гр о м н о й с ко р о с т ью в ы л е т а е т из яд р а. П р о т о н ов в яд р е с т а ло н а од ин б ольше и я др о п р е вр аща етс я в я др о с о сед н е г о эле м е н т а с п р а в а - с бо льш и м но м е р о м.

Гамма –излучение . Это поток гамма-квантов, электромагнитное излучение, более «жёсткое « чем обычное медицинское рентгеновское, представляющее поток фотонов с меньшей энергией .

О т л ичи е g -из лу ч е ни я о т р е нтг е н ов с ко г о (как и в с лу ч ае b -из л у ч е ни я ) , т а кже т о л ько в « м е с т е р ожд е ни я» : яд р о а т о м а, а н е е г о элек т р о н н ы е о б оло ч к и .

59. Закон радиоактивного распада.

З а ко н р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а - ф изи ч е с к ий з ако н , о пи с ы в а ющ ий з ав и с им о с т ь и н т е н с и в н о с ти р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а о т в р е м е ни и

ко л ич е с т в а р а д и оак ти в ны х а т о м ов в о б р а з це. О т к рыт Фр е д е р ико м С о д д и и Э р н ест о м Р е з ер ф о р д о м , кажд ый из ко т о р ых впо с л е д с т в и и был нагр а жд е н Ноб е л е в с кой пр е м и е й. Закон о бн а р уже н эк с п е р им е нт а ль ным п у тѐм . П е р в ы е п у б л и кац ии о тн о с я т с я к 1 9 03 г оду : « С р ав нит е ль н ое из у ч е ни е р ад и о а к ти в н о с ти р а д и я и т о ри я» и « Р а д и оак ти в н ое пр е в р ащ е ни е». Фр е д е р ик Со д д и (« T he s t ory of a t o mi c en e rgy», 1 9 49 г оду ) до в оль н о о р иги н аль н о о тзы в а е т с я о з ако н е : С лед у ет о тмет и т ь , чт о закон п р ев р ащ е ний о д инако в дл я все х р а д ио э л е м е н т о в , я вл яя с ь с а м ы м п р о стым и в т о же вр ем я пр а кт и чески необъ я с н и мым. Э т от закон имеет вероят н ос т ную п р и р о д у . Е г о м о ж но п р е дст а в и т ь в в и де д уха р аз р у ше ния , ко т о р ы й в ка жд ы й д анн ы й м о м е н т нау г а д р а с щ е п л я ет оп р е д е л ѐ нно е ко л и честв о с ущ е ств у ю щих а т о м о в , н е забо т я сь об о т бо р е те х из н и х , к о т о рые б л и зки к св о е м у р а с па д у .

0

П о с т оянная р а с па д а - э т о о тн ош е ни е дол и яд е р р а д и о н у кл и да, р а с п адающ и х с я з а инт е р вал в р е м е ни d t , к э т о м у инт е р ва л у в р е м е ни

П о с т оя нн ая р а с п а д а (р а д и оак ти в н ая п о с т оя нн ая и л и ко н с т а нт а ) - э т о д о ля а т о м о в , р а с пад а ющ и х с я в 1 с е кунду.

Ср е д н ее в р е м я ж и з н и р а д и о н укл и да с вя з а н о с п о с т оя нн о й р а с п ада λ с оо т н оше ни е м :

= 1 / λ

В р е м я, в т е ч е ни е ко т о р о г о чи с ло а т о м ов р а д и о н у кл и да в р е з уль т а т е р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а у м е н ьша е т с я в д в а р а з а, н а зы ва е т с я

п е р ио д о м по л у р а с па д а р а д и о н у кл и да T 1 / 2 .

Р а д и о а к ти в н о с т ь в е щ е с т в а A о пр ед е ля е т с я инт е н с и в н о с т ью и л и с ко р о с т ью р а с п ада е г о а т о м ов :

При э т о м ве л ичин а о пр е д е ля е т р а д и оак ти в н о с т ь в е щ е с т в а в н а ч аль н ый м о м е нт в р е м е ни . Из при ве д е нны х о пр ед е л е ний с л е дуе т , чт о ак ти в н о с т ь р а д и о н укл и да А с вя з а н а с чи с ло м р а д и оак ти в ны х а т о м ов в и с т о чни ке в д а н н ый м о м е нт в р е м е ни с оо т н о ш е ни е м :

60 . Активность –количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений)в единицу времени(как правило, в секунду).

Единицами измерения активности являются беккерельи кюри.

Беккерель (Бк) -это один акт распада в секунду (1 расп/сек). Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии АнтуанаАнри Беккереля.

Кюри (Ки) –активность 1 грамма радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Кюри (Ки) -3,7x1010Бк. Если радионуклиды распределены в объеме вещества, то используют понятие «удельная активность» (массовая или объѐмная) –активность единицы массы или объѐма вещества, измеряя ее в Бк/кгили Ки/кг; Бк/лили Ки/л.

Точнее, это активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или объѐма вещества.

В случае, когда радионуклиды распределены по поверхности почвы, используют понятие «поверхностная активность» –активность единицы площади, измеряя ее в Бк/м2или Ки/м2; Бк/км2 или Ки/км2.

61. Все атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде, т.е. радиоактивное или ионизирующее излучение при прохождении через вещество:

Во-первых, приводят к его ионизации, к образованию горячих (высокоэнергетичных) и исключительно реакционно-способных частиц: ионов и свободных радикалов (осколков молекул, не имеющих заряда);

Во-вторых, могут приводить к активации вещества, к появлению так называемой наведѐнной активности, то есть к превращению стабильных атомов в радиоактивные -появлению радионуклидов активационного происхождения.Поэтому основными характеристиками ионизирующего излучения являются энергия частиц, их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно как опасность для биологических объектов).

Из-за своей массы и заряда a-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всѐ на своѐм пути. И поэтому a-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Из-за малых размеров, массы и заряда β-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем a-частицы, но естественно, что при попадании внутрь β-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. В качестве защиты от n-и g-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и при этом речь ведут только о кратности ослабления, а не о полной защите. В любом случае следует помнить, что наиболее рациональной «защитой» от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.

62. Поэтому основным показателем для характеристики влияния ИИИ является оценка той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощѐнной этим веществом.

При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты используют дополнительные поправочные коэффициенты. Поглощѐнная доза (от греческого -доля, порция) –энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощѐнная облучаемым веществом и обычно рассчитываемая на единицу его массы. Грэй(Гр) -единица поглощѐнной дозы в системе единиц СИ. Рад-внесистемная единица поглощѐнной дозы. Поглощенная доза –универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля излучения со средой. Экспозиционная доза (для рентгеновского и g-излучения)-определяется по ионизации воздуха. Рентген (Р) -внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество g-или рентгеновского излучения, которое в 1 см3сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г)образует 2,082 109пар ионов, которые несут заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака (в системе СГСЭ). Эквивалентная доза –доза, рассчитанная для биологических объектов (человека) с учѐтом коэффициента качества излучения КК. Равна произведению поглощѐнной дозы на КК. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощѐнная. За единицу эквивалентной дозы в системе СИпринят Зиверт(Зв). Эффективная эквивалентная доза –эквивалентная доза, рассчитанная с учѐтом разной чувствительности различных тканей организма к облучению. Она равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом (тканью, с учѐтом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска».

63. Расчет индивидуальной дозы в общем случае производят, исходя из следующей схемы, иллюстрирующей основныеэтапы попадания и распространения радионуклидов в среде.

В целом, воздействие радиации на биологические объекты и, в первую очередь, на организм человека вызывает три различных отрицательных эффекта.

Первый –генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве. Это рождение детей с различными отклонениями от нормы (уродства разной степени, слабоумие и т. д.), либо рождение полностью нежизнеспособного плода, -с отклонениями, не совместимыми с жизнью.

Второй –генетический эффект для наследственного аппарата соматических клеток -клетоктела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных (преимущественно раковых) заболеваний. Третий эффект –иммунно-соматическийэффект. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счѐт разрушения клеточных мембран и других структур. Он проявляется в виде самых различных, в том числе, казалось бы, совершенно не связанных с радиационным воздействием, заболеваниях, в увеличении количества и тяжести течения заболеваний, в осложнениях. Ослабление иммунитета провоцирует возникновение любых заболеваний, в том числе и раковых. Таким образом, вследствие высокой радиочувствительностивнутренних органов и длительности процесса частичного выведения радиоактивных изотопов из организма, внутреннее облучение для человека более опасно, чем внешнее.

64. Следует обратить внимание на резкое несоответствие между полученной дозой, то есть выделившейся в организме энергией, и биологическим эффектом.

Одинаковые дозы, полученные человеком от внешнего и от внутреннего облучения, а также дозы, полученные от разных видов ионизирующего излучения, от разных радионуклидов (при попадании их в организм) вызывают разные эффекты!

При этом абсолютно смертельная для человека доза в 1000 рентген в единицах тепловой энергии составляет всего 0,0024 калорий.

Это количество тепловой энергии сможет нагреть только на 1°С около 0,0024 мл воды (0,0024 см3), то есть всего 2,4 мг воды. Со стаканом горячего чая мы получаем в тысячи раз больше.

При этом медики, учѐные, атомщики оперируют дозами в милли-и даже в микрорентгены. То есть указывают такую точность, которой на самом деле не существует.

65. Все ЧС классифицируются по четырем признакам:

1) сфера возникновения, которая определяет характер происхождения чрезвычайной ситуации;

2) ведомственная принадлежность, т.е. где, в какой отрасли народного хозяйства случилась данная чрезвычайная ситуация;

3) масштаб возможных последствий. Здесь за основу берутся значимость (величина) события, нанесенный ущерб и количество сил и средств, привлекаемых для ликвидации последствий;

4) скорость распространения опасности.

66. Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций имеют право:

на защиту жизни, здоровья и личного имущества в случае возникновения чрезвычайных ситуаций;

использовать в соответствии с планами ликвидации чрезвычайных ситуаций средства коллективной и индивидуальной защиты и другое имущество республиканских органов государственного управления, иных государственных организаций, подчиненных Совету Министров Республики Беларусь, местных исполнительных и распорядительных органов и других организаций, предназначенное для защиты населения от чрезвычайных ситуаций;

на информацию о риске, которому они могут подвергнуться в определенных местах пребывания на территории страны, и о мерах необходимой безопасности; на обращение в государственные органы, иные организации, а также к индивидуальным предпринимателям по вопросам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

участвовать в установленном порядке в мероприятиях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

на возмещение вреда, причиненного их здоровью и имуществу вследствие чрезвычайных ситуаций;

на бесплатное медицинское обслуживание, компенсации и льготы за проживание и работу в зонах чрезвычайных ситуаций;

на бесплатное государственное социальное страхование, получение компенсаций и льгот за вред, причиненный их здоровью во время участия в мероприятиях по ликвидации чрезвычайных ситуаций; на пенсионное обеспечение в случае потери трудоспособности в связи с увечьем или заболеванием, полученными при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для работников, инвалидность которых наступила вследствие трудового увечья;

на пенсионное обеспечение по случаю потери кормильца, погибшего или умершего от увечья или заболевания, полученных при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для семей граждан, погибших или умерших от увечья, полученного при выполнении гражданского долга по спасению человеческой жизни, охране собственности и правопорядка.

Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций обязаны: соблюдать законодательство в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

соблюдать меры безопасности в быту и повседневной трудовой деятельности, не допускать нарушений производственной и технологической дисциплины, требований экологической безопасности, которые могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций;

изучать основные способы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, приемы оказания первой медицинской помощи пострадавшим, правила пользования коллективными и индивидуальными средствами защиты, постоянно совершенствовать свои знания и практические навыки в указанной области;

67. Государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций объединяет

республиканский орган государственного управления, осуществляющий управление в сфере предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной, промышленной, ядерной и радиационной безопасности, гражданской обороны (далее –республиканский орган государственного управления по чрезвычайным ситуациям),

другие республиканские органы государственного управления,

иные государственные организации, подчиненные Совету Министров Республики Беларусь,

местные исполнительные и распорядительные органы,

другие организации, в полномочия которых входит решение вопросов по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

разработка и реализация правовых и экономических норм по обеспечению защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

осуществление целевых и научно-технических программ, направленных на предупреждение чрезвычайных ситуаций и повышение устойчивости функционирования организаций, а также объектов социального назначения в чрезвычайных ситуациях;

обеспечение готовности к действиям органов управления по чрезвычайным ситуациям, сил и средств, предназначенных и выделяемых для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

создание республиканского, отраслевых, территориальных, местных и объектовых резервов материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее –резервы материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций, если не указано иное);

сбор, обработка, обмен и выдача информации в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

подготовка населения к действиям в чрезвычайных ситуациях;

прогнозирование и оценка социально-экономических последствий чрезвычайных ситуаций;

осуществление государственной экспертизы, надзора и контроля в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

ликвидация чрезвычайных ситуаций;

осуществление мероприятий по социальной защите населения, пострадавшего от чрезвычайных ситуаций, проведение гуманитарных акций;

реализация прав и обязанностей населения в области защиты от чрезвычайных ситуаций, а также лиц, непосредственно участвующих в их ликвидации;

международное сотрудничество в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

69. К середине прошлого века человечество начало осознавать серьезность встающих перед ним экологических проблем, и возник естественный вопрос -сколько же времени у нас осталось, сколько лет пройдет, прежде чем трагические последствия нашего пренебрежительного отношения к природной среде станут очевидны? У нас уже не остается других тридцати лет для изучения и обсуждения экологических проблем. Мы должны либо создать устойчивое общество, либо превратимся в свидетелей угасания цивилизации на Земле. В 1983 г. Организация Объединенных Наций создала Всемирную комиссию по окружающей среде и развитию.

При этом были сформулированы следующие принципы устойчивогоразвития:

Люди имеют право на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

Сегодняшнее развитие не должно осуществляться во вред интересам развития и охране окружающей среды на благо нынешнего и будущего поколений;

Защита окружающей среды должно составлять неотъемлемую часть процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;

Экологические проблемы решаются наиболее эффективным образом при участии всех заинтересованных граждан. Государства развивают и расширяют информированность и участие населения путем предоставления широкого доступа к экологической информации.

70. Биосфера-область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы (аэробиосфера), всю гидросферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера), и верхние слои литосферы (литобиосфера). Биосфера включает как живые организмы (живое вещество), так и среду их обитания и является целостной динамической системой, осуществляющей улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между организмами и средой.

71. Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены.

Исчерпаемостьпригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана.

По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой.

Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии.

Имеются два основных круговорота веществ: большой -геологический и малый -биогеохимический. Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты.

72. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном счете, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фото-синтезирующими организмами (автотрофами) в потенциальную -в органические соединения. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии.

Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы, образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,-- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.

Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А.Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана, способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G.С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория. Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония. В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий.

После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи-- из отрицательно заряженных частиц малой массы -- электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.

В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.

В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В.В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С.A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W.J. Russell).

Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д.И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).

Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные -- изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).

После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.

Первое искусственное превращение ядер -- ядерная реакция -- было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада -- позитронный распад, или в+-распад. Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.

В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения -- электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения -- самопроизвольное деление тяжелых ядер.

В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.

С.Г.Кадменский
Воронежский государственный университет

Радиоактивность атомных ядер: история, результаты, новейшие достижения

В 1996 году физическая общественность отметила столетие со дня открытия радиоактивности атомных ядер. Это открытие привело к рождению новой физики, позволившей понять структуру атома и атомного ядра, и послужило воротами в странный и гармоничный квантовый мир элементарных частиц. Как и в случае многих выдающихся открытий, обнаружение радиоактивности произошло случайно. В начале 1896 года сразу после открытия В.К. Рентгеном X-лучей французский физик Анри Беккерель в процессе проверки гипотезы о флуоресцентной природе рентгеновского излучения обнаружил, что ураново-калиевая соль самопроизвольно, спонтанно, без внешних воздействий испускает жесткое излучение. Позже Беккерель установил, что данное явление, названное им радиоактивностью, то есть лучевой активностью, целиком связано с присутствием урана, который стал первым радиоактивным химическим элементом. Через несколько лет подобные свойства были обнаружены у тория, затем у полония и радия, открытых Мари и Пьером Кюри , а в дальнейшем у всех химических элементов, номера которых больше 82. С появлением ускорителей и ядерных реакторов у всех химических элементов были обнаружены радиоактивные изотопы, большинство которых практически не встречаются в естественных условиях.

ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ АТОМНЫХ ЯДЕР

Анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную -излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали, что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.
В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4 Не, а β-излучение состоит из электронов. Наконец, γ-излучение оказывается родственником светового и рентгеновского излучений и является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.
Очень любопытной оказалась природа β-распада ядер. Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми , который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной нейтрино . Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия частиц в природе - "слабым" взаимодействием и связан с процессами превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием электрона е - и антинейтрино (β - -распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е + и нейтрино ν (β + -распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).
Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком , связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами.
Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в 1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в мире ускоритель многозарядных ионов.
Наконец, в 1984 году независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих кластеры - атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.
В табл. 1 представлена история открытия различных видов радиоактивности. Исчерпаны ли ими все возможные виды радиоактивных превращений ядер, покажет время. А пока интенсивно продолжаются поиски ядер, которые испускали бы из основных состояний нейтрон (нейтронная радиоактивность) или два протона (двухпротонная радиоактивность) .

Таблица 1. История открытия различных видов радиоактивности

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АЛЬФА-РАСПАДЕ

Все виды радиоактивных превращений ядер удовлетворяют экспоненциальному закону:

N(t) = N(0)exp(-λt),

где N(t) - число радиоактивных ядер, выживших к моменту времени t > 0, если в момент t = 0 их число было N(0). Величина λ, совпадает с вероятностью распада радиоактивного ядра в единицу времени. Тогда время Т 1/2 , называемое периодом полураспада, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в два раза, определяется как

Т 1/2 = (ln2)/λ,.

Значения Т 1/2 для α-излучателей меняются в широком диапазоне от 10 -10 секунды до 10 20 лет в зависимости от величины энергии Q относительного движения α-частицы и дочернего ядра, которая при использовании законов сохранения энергии и импульса при α-распаде определяется как

Q = B(A-4,Z-2) + В(4,2) - В(А, Z),

где В(А, Z) - энергия связи родительского ядра. Для всех исследованных α-переходов величина Q > 0 и не превосходит 10 МэВ. В 1910 году Ганс Гейгер и Джордж Нэттол экспериментально обнаружили закон, связывающий период полураспада Т 1/2 с энергией Q:

где величины В и С не зависят от Q. Рисунок 1 иллюстрирует указанный закон для четно-четных изотопов полония, радона и радия. Но тогда появляется очень серьезная проблема. Потенциал взаимодействия V(R) α-частицы и дочернего ядра в зависимости от расстояния R между их центрами тяжести можно качественно представить следующим образом (рис. 2). На больших расстояниях R они взаимодействуют кулоновским образом и потенциал

На малых же расстояниях R в игру вступают короткодействующие ядерные силы и потенциал V(R) становится притягивающим. Поэтому в потенциале V(R) появляется барьер, положение R B максимума которого V B = V(R B ) лежит для тяжелых ядер с Z ≈ 82 в районе 10 -12 см, а величина V B = 25 МэВ. Но тогда возникает вопрос, как а-частица с энергией Q < V B может выйти из радиоактивного ядра, если в подбарьерной области величина ее кинетической энергии К = Q - V(R) становится отрицательной и с точки зрения классической механики движение частицы в этой области невозможно. Решение этой проблемы было найдено в 1928 году русским физиком Г.А. Гамовым . Опираясь на незадолго до того времени созданную квантовую механику, Гамов показал, что волновые свойства α-частицы позволяют ей с определенной вероятностью Р просачиваться через потенциальный барьер. Тогда, если принять, что α-частица существует в полностью сформированном виде внутри ядра, для вероятности его α-распада в единицу времени А, возникает формула

где 2ν - число ударов α-частицы о внутреннюю стенку барьера, определяемое частотой ν колебаний α-частицы внутри родительского ядра. Тогда, рассчитав квантово-механически величину Р и оценив v в простейших приближениях, Гамов получил для lgТ 1/2 закон Гейгера-Нэттола (1). Результат Гамова имел громадный резонанс в среде физиков, поскольку он продемонстрировал, что атомное ядро описывается законами квантовой механики. Но оставалась нерешенной главная проблема α-распада: откуда в тяжелых ядрах, состоящих из нейтронов и протонов, берутся α-частицы?

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ АЛЬФА-РАСПАДА

Многочастичная теория α-распада, в которой последовательно решается проблема формирования α-частицы из нейтронов и протонов родительского ядра, возникла в начале 50-х годов и в последние годы получила концептуальное завершение в работах некоторых физиков, включая автора и его сотрудников. Эта теория опирается на оболочечную модель ядра, обоснованную в рамках теории ферми-жидкости Л.Д. Ландау и А.Б. Мигдалом , в которой предполагается, что протон и нейтрон в ядре движутся независимым образом в самосогласованном поле, создаваемом остальными нуклонами. Используя оболочечные волновые функции двух протонов и двух нейтронов, можно найти вероятность, с которой эти нуклоны окажутся в -частичном состоянии. Тогда формулу Гамова (2) можно обобщить как

где W if и есть вероятность формирования альфа-частицы из нуклонов родительского ядра i с образованием конкретного состояния f дочернего ядра. Расчеты величин W if продемонстрировали принципиальную важность учета сверхтекучих свойств атомных ядер для понимания природы альфа-распада.
Немного истории. В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимости некоторых металлов, для которых при температурах ниже определенной критической сопротивление скачком падает до нуля. В 1938 году П.Л. Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия 4 Не, состоящее в том, что при температурах ниже некоторой критической жидкий гелий протекает через тонкие капиллярные трубки без трения. Оба этих явления долгое время рассматривались как независимые, хотя многие физики интуитивно чувствовали их родственность. Сверхтекучесть жидкого гелия была объяснена в работах Н.Н. Боголюбова и С.Т. Беляева тем, что в нем при низких температурах осуществляется бозе-конденсация, при которой большинство атомов гелия аккумулируются в состоянии с нулевым импульсом. Это возможно потому, что атомы гелия имеют спин, равный нулю, и поэтому являются бозе-частицами, которые могут в любых количествах находиться в определенном квантовом состоянии, например в состоянии с импульсом, равным нулю. В отличие от атомов гелия электроны, протоны и нейтроны имеют полуцелый спин и являются ферми-частицами, для которых справедлив принцип Паули, разрешающий находиться в определенном квантовом состоянии только одной частице. Объяснение сверхпроводимости металлов основано на явлении, предсказанном Л. Купером, когда два электрона в сверхпроводнике образуют связанную систему, получившую название куперовской пары. Полный спин этой пары равен нулю, и ее можно рассматривать как бозе-частицу. Тогда в сверхпроводнике происходит бозе-конденсация куперовских пар с импульсами, равными нулю, и в них возникает явление сверхтекучести этих пар, родственное явлению сверхтекучести жидкого гелия. Сверхтекучесть куперовских пар и формирует сверхпроводящие свойства металлов. Таким образом, два явления, формально относящиеся к различным разделам физики, - сверхпроводимость и сверхтекучесть - оказались родственными физически. Природа не любит терять свои прекрасные находки. Она использует их в различных физических объектах. Это и формирует единство физики.
В 1958 году Oге Бор высказал гипотезу о существовании сверхтекучих свойств у атомных ядер. Практически за один год эта гипотеза была полностью подтверждена и реализована в создании сверхтекучей модели атомного ядра, в которой принимается, что пары протонов или нейтронов объединяются в куперовские пары со спином, равным нулю, а бозе-конденсация этих пар формирует сверхтекучие свойства ядер.
Поскольку α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов с суммарными спинами, равными нулю, то ее внутренняя симметрия совпадает с симметрией куперовских пар протонов и нейтронов в атомных ядрах. Поэтому вероятность формирования α-частицы W if максимальна, если она образуется из двух куперовских пар протонов и нейтронов. α-Переходы подобного типа называются облегченными и происходят между основными состояниями четно-четных ядер, где все нуклоны спарены. Для таких переходов в случае тяжелых ядер с Z > 82 величина W if = 10 -2 . Если в состав α-частицы входит только одна куперовская пара (протонная либо нейтронная), то подобные α-переходы, характерные для нечетных ядер, называются полуоблегченными и для них W if = 5*10 -4 . Наконец, если -частица формируется из неспаренных протонов и нейтронов, то α-переход называется необлегченным и для него величина W if = 10 -5 . Опираясь на сверхтекучую модель ядра, автору и его сотрудникам к 1985 году удалось успешно описать на основе формул типа (3) не только относительные, но и абсолютные вероятности α-распада атомных ядер.

МНОГОЧАСТИЧНАЯ ТЕОРИЯ ПРОТОННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ

Для надежного наблюдения протонного распада атомных ядер из основных и низколежащих возбужденных состояний необходимо, чтобы энергия относительного движения протона и дочернего ядра Q была положительной и в то же время заметно меньше высоты протонного потенциального барьера V B , чтобы время жизни протонораспадного ядра было не слишком малым для его экспериментального исследования. Такие условия, как правило, выполняются лишь для сильно нейтронодефицитных ядер, получение которых стало возможным лишь в последние годы. В настоящее время обнаружено более 25 протонных распадчиков из основных и изомерных (достаточно долгоживущих) возбужденных состояний ядер. С теоретической точки зрения протонный распад выглядит существенно проще, нежели α-распад, поскольку протон входит в состав ядра, и поэтому казалось, что можно воспользоваться формулами типа формулы (2). Однако очень скоро стало ясно, что практически все протонные переходы чувствительны к структуре родительского и дочерних ядер и необходимо использовать формулу (3), причем для расчета вероятностей W if автору с сотрудниками пришлось развить многочастичную теорию протонной радиоактивности с учетом сверхтекучих эффектов. На основе этой теории удалось успешно описать все наблюдаемые случаи протонного распада, включая особенно непонятный случай распада долгоживущего изомерного состояния ядра 53 Со, и сделать предсказания относительно новых наиболее вероятных кандидатов для наблюдения протонной радиоактивности. В то же время было продемонстрировано, что большинство протонораспадных ядер являются несферическими в отличие от первоначальных представлений.

КЛАСТЕРНЫЙ РАСПАД АТОМНЫХ ЯДЕР

В настоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от 221 Fr до 241 Аm, испускающих из основных состояний кластеры типа 14 С, 20 О, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si и 34 Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера V B . В то же время все исследованные кластерно-радиоактивные ядра являются и α-распадными, причем отношения вероятности кл их кластерного распада в единицу времени к аналогичной вероятности λ α для α-распада уменьшаются при увеличении массы вылетающего кластера и лежат в диапазоне от 10 -9 до 10 -16 . Столь малые значения подобных отношений никогда ранее не анализировались для других видов радиоактивности и демонстрируют рекордные достижения экспериментаторов при наблюдении кластерного распада.
В настоящее время развиваются два теоретических подхода к описанию динамики кластерного распада атомных ядер, являющиеся фактически двумя возможными предельными случаями. Первый подход рассматривает кластерный распад как глубокоподбарьерное сильно асимметричное по массам образующихся осколков спонтанное деление. При этом родительское ядро, находящееся в состоянии а до момента разрыва в плавно перестраивается, заметно изменяя свою форму и проходя через промежуточную конфигурацию б , что иллюстрирует рис. 3. Описание такой перестройки осуществляется на основе коллективных моделей ядра, являющихся обобщением гидродинамической модели. Этот подход сталкивается в настоящее время со значительными трудностями при описании тонких характеристик кластерного распада.

Второй подход строится по аналогии с теорией α-распада. В этом случае описание перехода к конечной конфигурации в осуществляется без введения промежуточной конфигурации б сразу из конфигурации а на языке формулы типа (3) с использованием понятия вероятности формирования кластера W if . Хорошим аргументом в пользу второго подхода является тот факт, что для кластерного распада, как и в случае α-распада, выполняется закон Гейгера- Нэттола (1), связывающий кластерный период полураспада Т 1/2 и энергию Q. Этот факт иллюстрирует рис. 4. В рамках второго подхода автору и его сотрудникам удалось по аналогии с α-распадом провести классификацию кластерных переходов по степени облегченноcти, используя идеологию сверхтекучей модели ядра, и предсказать тонкую структуру в спектрах вылетающих кластеров. Позже указанная структура была обнаружена в экспериментах французской группы в Сакле. Данный подход позволил также разумно описать масштаб относительных и абсолютных вероятностей известных кластерных распадов и сделать предсказания по наблюдению кластерной радиоактивности у новых кластерно-распадных ядер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования различных видов радиоактивности атомных ядер продолжаются и в настоящее время. Особый интерес проявляется к изучению протонного распада ядер, поскольку в этом случае удается получить уникальную информацию о структуре ядер, лежащих за пределами границ нуклонной устойчивости ядер. Совсем недавно коллектив физиков под руководством профессора К. Дэвидса в Аргоннской национальной лаборатории (США) синтезировал сильно нейтронодефицитное ядро 131 Eu и обнаружил не только протонный распад, но и впервые тонкую структуру его протонного спектра. Анализ этих явлений на основе теории, развитой автором, позволил убедительно подтвердить представление о сильной несферичности этого ядра.
Иллюстрацией интереса к подобным исследованиям является статья журналиста М. Брауни под названием "Взгляд на необычные ядра изменяет точку зрения на атомную структуру", появившаяся в мартовском номере газеты "Нью-Йорк тайме" в 1998 году, в которой в популярной форме рассказывается о результатах, полученных аргоннской группой, и способах их интерпретации.
Приведенный выше обзор, иллюстрирующий развитие представлений о природе радиоактивности атомных ядер за целое столетие, демонстрирует явное ускорение темпов получения новых знаний в этой области особенно в последние 25 лет. И хотя ядерная физика является достаточно развитой в экспериментальном и теоретическом смысле наукой, несомненно, что продолжающиеся в ее рамках, а также на стыке с другими науками исследования способны уже в ближайшее время подарить человечеству новые очень красивые и удивительные результаты.