Что же происходит с ядром, когда оно испускает альфа-частицу? Поскольку заряд его уменьшается на две единицы, очевидно, оно превращается в ядро элемента, стоящего на две клетки левее в периодической системе. Атомный вес его уменьшается на четыре единицы. В качестве примера можно привести превращение атома радия в радон: радий радон + альфа-частица.
В ядерной физике это уравнение записывается так:
Следующая группа превращений связана с испусканием ядрами бета (β) частиц, или электронов. Этот процесс обязан своим происхождением избытку нейтронов в ядрах некоторых атомов. Схему его можно представить следующим образом: нейтрон протон + электрон, или n p + e то есть нейтрон переходит в протон, и образующийся при этом электрон покидает ядро. Нетрудно догадаться, что при бета-распаде образующийся элемент располагается в периодической системе на одну клетку вправо, а атомный вес остается без изменения, поскольку масса электрона близка к нулю. В качестве примера можно привести превращение протактиния в уран:
В отличие от альфа-частиц бета-частицы не обладают ни постоянной величиной пробега, ни постоянной энергией. Такое положение наблюдается для любого радиоактивного вещества, испускающего бета-частицы. Это дало повод некоторым ученым даже сомневаться в фундаментальном законе природы законе сохранения энергии.
Объяснил это явление знаменитый итальянский ученый Энрико Ферми. Он доказал, что испускание бета-частицы ядром атома должно сопровождаться вылетом из ядра еще одной частицы, не имеющей электрического заряда, с массой, близкой к нулю. Эта частица получила название «нейтрино», что по-итальянски значит «маленький нейтрон», «нейтрончик».
Поскольку ядро выбрасывает две частицы, энергия между ними может распределиться самым различным образом. Нейтрино может забрать много энергии, и тогда на долю бета-частицы достанется лишь малая ее часть. Нейтрино может и не получить ничего, тогда бета-частица будет иметь максимальную энергию, которой и характеризуется бета-излучение. Бета-частицы вылетают из ядер с громадной скоростью, близкой к скорости света. А поскольку заряд их мал, то в отличие от альфа-частиц они редко вызывают ионизацию атомов вещества, в котором движутся. Поэтому и пробег их значительно больше, чем у альфа-частиц.
Кроме отрицательно заряженных бета-частиц, существуют еще и положительные, которые обозначаются значком р+ и называются позитронами. Если ядро испускает позитрон, образующийся элемент передвигается на одну клетку влево в периодической системе.
Еще одна группа превращений связана с явлением, которое получило название электронного захвата. Он наблюдается, когда ядра содержат избыточное количество протонов.
В этом случае ядро захватывает электрон с ближайшей электронной оболочки, и один из протонов превращается в нейтрон:
p + e n
При K-захвате образующийся элемент оказывается в периодической системе на одну клетку влево.
Известен вид радиоактивных превращений, называемый спонтанным делением. К нему «склонны» только очень тяжелые ядра, например тория и урана. Суть процесса заключается в самопроизвольном «раскалывании» ядра на две части. В результате образуются ядра элементов середины периодической системы.
Наконец, к последней группе превращений относится так называемый изомерный переход. Пояснить его можно так. Пусть у нас есть два совершенно одинаковых ядра. Равны их массы, равны их заряды. Но только одно ядро, как говорят физики, находится на более высоком энергетическом уровне, то есть у него имеется избыток энергии. Такие ядра называются изомерами. Чтобы перейти в свое нормальное, стабильное состояние, возбужденное ядро должно освободиться от избыточной энергии, что оно и делает, испуская гамма (γ) лучи. Они представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. При их испускании, как можно понять, не изменяются ни масса атома, ни его порядковый номер. Поскольку гамма-лучи не являются частицами вещества и электронейтральны, они слабо взаимодействуют с веществом, а потому и обладают очень большой проникающей способностью, какая недоступна альфа- и бета-частицам.
Таковы основные виды превращений ядер.
Периоды полураспада известных в настоящее время радиоактивных изотопов различны от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Так, период полураспада одного из изотопов радона равен 3,8 дня, а урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Для многих радиоактивных изотопов период полураспада можно измерить непосредственно по уменьшению интенсивности его излучения.
Закон радиоактивного распада, хотя он и не очень сложен, выводится при помощи высшей математики. Однако, правда с меньшей точностью, его можно получить при помощи несложных алгебраических преобразований.
Пусть у нас в какой-то момент есть какое-то количество атомов радиоактивного элемента, равное N0. Тогда по прошествии некоторого времени t у нас останется лишь N1 его атомов. Очевидно, что скорость превращения равна отношению числа распавшихся атомов к величине прошедшего промежутка времени, то есть