Радиоактивность. История открытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОКСИЧНЫЕ МИНЕРАЛЫ

В.А. КОШЕЛЕВА, А.Н. ПАВЛОВ

С.-Петербург-2016

РАДИОАКТИВНОСТЬ

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

События, связанные с обнаружением радиоактивности развивались как в хорошем боевике. 28 декабря 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген (рис.7.1) направил свою статью «О новом роде лучей» со снимком кисти своей жены председателю Физико-медицинского общества университета.

Рис. Вильгельм Конрад Рентген

Статья быстро была опубликована в виде отдельной брошюры и автор почти тут же разослал её ведущим физикам Европы. А уже 20 января 1896 г. (менее, чем через месяц ) американские врачи пустили открытие Рентгена в дело. По случайному совпадению в этот же день проходило заседание Парижской академии наук, на котором А.Пуанкаре (рис.7.2) сделал сообщение об открытии Рентгена, высказав при этом гипотезу о том, что Х-лучи испускаются при фосфоресценции. Член академии физик Антуан Анри Беккерель тут же поспешил в свою лабораторию, чтобы эту гипотезу проверить.

Наверное, она была ему очень интересна и близка, поскольку отец его Александр Эдмон Беккерель, тоже физик и тоже член Парижской академии наук, посвятил свою жизнь исследованию именно фосфоресценции и даже построил для этих целей специальный прибор под названием фосфороскоп. Вначале многочисленные опыты как будто подтверждали гипотезу А.Пуанкаре, о чём 24 февраля (тоже почти через месяц) А. Беккерель и доложил на заседании академии.

Однако, свои опыты он не прекратил. Для вызывания фосфоресценции А.Беккерель выдерживал фотопластинки с кусочками урановой соли на солнечном свете. Но 26 февраля в Париже была пасмурная погода, которая стояла над городом до 1 марта. Всё это время препараты лежали в тёмном ящике. А вот в том, что произошло дальше, основную роль сыграла интуиция экспериментатора. А.Беккерель не вынес пластинки на солнце, появления которого собственно и дожидался , пряча препараты в тёмном ящике. Он решил прежде проявить их. И вот тут-то гипотеза А.Пуанкаре и рухнула. Осенью 1896 г. А.Беккерель сообщил о своих результатах на очередном заседании академии, назвав невидимое излучение урановыми лучами. После этого многие учёные окрестили их беккерелевскими. Но ни первое, ни второе название почему-то не прижилось. Явление вошло в науку и жизнь как радиоактивность. Этот термин принадлежит, как известно, Марии Кюри-Складовской. А.Беккерель был знаком с её мужем - Пьером Кюри, тогда уже известным физиком, и как-то, демонстрируя ему свои эксперименты, предложил проверить нет ли в исследуемых образцах каких-либо специфических примесей, продуцирующих излучение. В 1897 г. Пьер Кюри поставил эту задачу перед своей молодой женой как тему её будущей докторской диссертации.

Работая с многочисленными образцами минералов, Мария обнаружила, что так называемые урановые лучи испускают и другие элементы и потому им лучше дать иное название. Она предложила понятие радиоактивность (англ. слово radiation - излучение, лучеиспускание ). Так и пошло ...

В ноябре 1903 г супруги Кюри разделили с А.Беккерелем лавры Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.

Воистину открытия совершаются на небесах. Но дарятся они бескорыстным и преданным науке людям. Ведь ни В.К.Рентген, ни Мария, ни Пьер Кюри, ни А.А.Беккерель результаты своих исследований даже не патентовали, теряя на этом коллосальные деньги. Но они понимали, что патент будет тормозить дальнейшие поиски и как бы дарили свои открытия всему человечеству. Каждый мог продолжать и развивать то, что сделали они, не оглядываясь, как сегодня сказали бы, на прокуратуру.

Помогал супругам Кюри получить для своих экспериментов отходы урановой смолки с очистительных заводов, связанных с изготовлением знаменитого богемского стекла Э.Ф. Зюсс. Вот такой любопытный факт. Так что не будь Э.Ф.Зюсса, возможно, шаг по открытию радиоактивности были бы значительно длиннее.

радиоактивность открытие ученый

Краткая информация об участниках открытия века

Беккерель (BECQUEREL) Антуан Анри (Рис. 7.3). Французский физик. Родился в Париже 15 декабря 1852 г. в семье известных научных работников. Он получил среднее образование в лицее Людовика Большого, по окончании которого 1872 г. вступил в Политехническую школе в Париже. Два года спустя Беккерель перевелся в Высшую школу мостов и путей, где изучал инженерное дело, проводил самостоятельные исследования и практиковал преподавательскую деятельность.

1875 г. он берётся за изучения основного дела своей жизни -- влияния магнетизма на линейно поляризованный свет.

1876 г. включается в активную преподавательскую деятельность в Политехнической школе.

1877 г. Беккерелю предоставлена научная степень в области технических наук. Теперь он стал работать в Национальном управлении мостов и путей. Немного позднее он перешел в ассистенты к своему отцу в Музей естественной истории, объединяя эту деятельность с работой в Политехнической школе и Национальном управлении мостов и путей.

Беккерель, сотрудничая со своим отцом, подготовил цикл статей о температуре Земли. Он также разработал новый метод анализа спектров, совокупностей волн разной длины, которая излучает источник света. 1888 г. А.Беккерель получил докторскую степень за исследования о поглощении света кристаллами.

Его основные работы посвящены оптике (магнитооптика, фосфоресценция, инфракрасные спектры) и радиоактивности.

А.Беккерель 1896 г., изучая влияние разных люминесцентных веществ на фотопластину, в частности, солей урана, открыл неизвестное прежде излучение, присущее именно урановой соли, которое ничего общего не имеет с люминесцентным излучением. Это явление произвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. Во время проведения опытов с чистым ураном он установил, что фотографические пластинки свидетельствуют о такой степени облучения, который в 3 -- 4 раза превышает излучение соли урана. Это явление было названо «лучи Беккереля».

1903 г. за открытия явления естественной радиоактивности урана Беккерелю была присуждена Нобелевская премия.

Кроме Нобелевской премии, Беккерель был членом ряда академий наук разных стран, имел многочисленные награды и почести, в частности, Лондонского королевского общества, Берлинской королевской академии наук, Национальной академии наук США.

После получения Нобелевской премии он продолжал преподавательскую и научную деятельность.

1908 г. 25 августа А.Беккерель умер в Бретани во время поездки с женой к её родовому имению.

Кюри Пьер, Curie Pierre (15.05.1859, Париж - 19.04.1906, Париж). (Рис. 7.4). Французский физик и химик. Получил домашнее образование под руководством отца, врача. Проявил большой интерес к математике, особенно к геометрии. С 1878 работает в лаборатории в Сорбонне, где вместе со старшим братом Жаком выполняет свои первые классические исследования: определение длин тепловых волн, симметрия и свойства кристаллов, магнетизм, открытия пьезоэлектрического эффекта.

С 1882 преподает в Школе физики и прикладной химии, где выполнил свои исследования по магнетизму, Им были открыты ферро-, пара- и диамагнитные тела, изучены их свойства. В 1895 защищает докторскую диссертацию по магнетизму. Весной 1894 в Париже знакомится с Марией Склодовской, и 25 июля 1895 они сочетаются браком. Начинается их совместная исследовательская работа - изучение радиоактивности. В 1898 открытие новых элементов - полония и радия. Установлено смертоносное воздействие радиоактивных лучей на клетки живых организмов. Доказана независимость скорости радиоактивного распада от внешних условий. Это позволило рассматривать постоянную распада, как эталон времени при определении абсолютного возраста горных пород и т.п. Вводит термин «радиоактивность». Лауреат Нобелевской премии по физике (1903), совместно с М. Склодовской-Кюри и А. Беккерелем. Профессор Парижского университета (1904). Член Парижской АН (1905). 19 апреля 1906 погибает на улице Дофин под колёсами ломовой телеги. В своей Нобелевской лекции Пьер Кюри говорил «… В преступных руках радий может стать весьма опасным, и мы можем теперь задать себе вопрос, выигрывает ли человечество от знания секретов природы, достаточно ли оно созрело, чтобы пользоваться ими, не принесёт ли ему вред это знание. … Я склонен придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечёт из новых открытий больше хорошего, чем плохого. …».

Складовская-Кюри, Мария (рис.7.5).Родилась 7 ноября 1867 в Варшаве (Польша), младшая из пяти детей в семье Владислава Склодовского и Брониславы Богушки. Отец преподавал физику в гимназии, а мать, пока не заболела туберкулезом, была директором гимназии. Мать умерла, когда девочке было одиннадцать лет.

Она блестяще училась в школе. Еще в юном возрасте работала лаборантом в лаборатории двоюродного брата. Д.И.Менделеев был знаком с её отцом и увидев ее за работой в лаборатории, предсказал ей великое будущее.

Покинув Польшу в 1891, Склодовская поступила на факультет естественных наук Парижского университета (Сорбонны). В 1893, закончив курс первой, получила степень лиценциата по физике Сорбонны (эквивалентную степени магистра). Через год стала лиценциатом по математике.

В 1894 она встретила Пьера Кюри, он был руководителем лаборатории при Муниципальной школе промышленной физики и химии. Сблизившись на почве увлечения физикой, Мария и Пьер через год вступили в брак. В 1894 Кюри приступила к измерению электропроводности воздуха вблизи образцов радиоактивных веществ, используя приборы, разработанные и построенные Пьером Кюри и его братом Жаком.

Дальнейшие исследования, которые привели Марию к открытию полония и радия, она написала и защитила в 1903 в Сорбонне докторскую диссертацию. По мнению комитета, присудившего Кюри научную степень, её работа явилась величайшим вкладом, когда-либо внесенным в науку докторской диссертацией.

После гибели мужа в 1906 она сосредоточила свои усилия на выделении чистого радия. В 1910 ей cовместно с Андре Луи Дебьерном (1874-1949) удалось получить это вещество и тем самым завершить цикл исследований, начатый 12 лет назад. Она доказала, что радий является химическим элементом, разработала метод измерения радиоактивной эманации и приготовила для Международного бюро мер и весов первый международный эталон радия - чистый образец хлорида радия, с которым надлежало сравнивать все остальные источники.

Мария Кюри скончалась 4 июля 1934 года вследствие хронической лучевой болезни (апластической лучевой анемии) в санатории Санселльмозе (Пасси, Верхняя Савойя). 6 июля 1934 похоронена на кладбище в Со (О-де-Сен) в могиле своего мужа Пьера Кюри.

20 апреля 1995 года по решению президента Франции Франсуа Миттерана, прах Пьера и Марии Кюри был перенесён в парижский Пантеон.

Зюсс Эдуард Фридрих, Suess Eduard (20.08.1831, Лондон - 26.04.1914, Вена). Австрийский геолог и палеонтолог. (Рис. 7.6). Один из основоположников современной геологии. Окончил Венский политехникум (1852). В 1852-56 сотрудник музея Естественной Истории. С 1856 профессор палеонтологии Венского университета и там же с 1861 профессор геологии.

Разработал проект акведука длиной 112 км, по которому вода стала поступать в Вену. С 1873 либеральный депутат нижней палаты национального парламента. В 1898-1911 президент Венской АН. Первые работы посвящены анатомии и классификации брахиопод и аммонитов. Затем изучал геологию Альп. Результаты этих исследований были им опубликованы в 1857 в работе «Происхождение Альп» (Die Entstehung der Alpen). Будучи сторонником контракционной гипотезы, Зюсс утверждал, что при горообразовании главную роль играют не вертикальные (радиальные), а горизонтальные (тангенциальные) движения Земной коры. Вулканизм и вообще магматизм он, в отличие от большинства геологов того времени, рассматривал скорее как следствие орогенеза, чем его причину. В опубликованном в 1883-1909 четырёхтомном труде «Лик Земли» (Das Antlitz der Erde) излагает результаты региональных исследований, проведённых на всех материках к началу ХХ века, рассматривает структуру и эволюцию Земной коры и литосферы, вводит много новых терминов и понятий, большинство из которых употребляется в геологической литературе в настоящее время. Впервые обосновал неоднородность нашей планеты и, наряду с литосферой, гидросферой и атмосферой разработал понятие биосферы. Он также ввёл такие понятия, как Гондвана (гипотетический древний суперконтинент, включавший в себя современные Южную Америку, Африку, Индостан, Австралию и Антарктиду) и Тетис (океан, отделявший Гондвану от континента северного полушария). Зюсс был первым, кто рассматривал рифтовые структуры, например грабены восточной Африки, как зоны расширения литосферы.

РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Основные понятия.

1. Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и образованием ядра другого элемента.

б-лучи представляют собой ядра атомов гелия; в-лучи - поток электронов; г-лучи - коротковолновое излучение электромагнитной природы.

2. Радиоактивные семейства (ряды) - цепь превращений природных тяжелых радиоактивных элементов путем б- и в-распадов в другие также радиоактивные элементы.

3. Период полураспада - время, за которое происходит самораспад половины начального количества радиоактивного элемента (величина постоянная, для каждого элемента своя).

4. Радиоактивным равновесием называют состояние системы, содержащей материнский и связанные с ним дочерние изотопы, при котором соотношение количеств материнского и дочерних изотопов не меняется с течением времени. 

Поскольку радиоактивное равновесие связано с тем, что за единицу времени распадается такое же количество атомов последующего элемента, какое образовалось из предыдущего элемента радиоактивного ряда, то, например, содержание в урановой руде радиоактивных веществ не уменьшается, так как их убыль всё время пополняется за счет распада предшествующих изотопов; фактически убывает только количество урана, стоящего во главе ряда. Но так как период его полураспада весьма велик, убыль его содержания малозаметна. 

Общая характеристика.

В настоящее время в природе обнаружено свыше 230 типов радиоактивных ядер. Среди них главное место занимают три семейства тяжелых элементов: урана, тория и актиния. Из остальных, более чем 180 одиночных радиоактивных изотопов принадлежащих элементам не входящим в радиоактивные семейства, наиболее распространёнными из являются калий-40 (40 К) и рубидий-87 (87 Rb).

Радиоактивные семейства имеют некоторые общие особенности, которые полезно знать, так как они позволяют понять характер формирования и структуру радиационных полей.

1. Родоначальники семейств имеют большие периоды полураспада (108 - 1010 лет).

2. В середине каждого ряда появляется изотоп (эманация), относящаяся к группе благородных газов (радон, торон, актинон - изотопы радона с порядковым номером 86), обладающих только - активностью.

3. Эманации, распадаясь, дают короткоживущие изотопы.

4. Короткоживущие изотопы испытывают конкурирующие и распады, образуя разветвления рядов.

5. А-продукты всех трех семейств являются изотопами полония и почти полностью переходят в В-проукты путем б-распада, и только небольшая их часть переходит в астатин путем в-распада.

6. В-продукты всех трех семейств являются изотопами свинца. Они в-активны и имеют важное значение как материнские вещества последующих короткоживущих продуктов распада С, Сґ, Сґґ. В-продукты являются одним из основных г-излучателей семейств.

7. Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца (атомные массы 206, 207, 208 с порядковым номером 82).

Особенно сильно оно в зонах искусственных, аномально сильных полей, связанных с испытаниями ядерного оружия, аварийными выбросами АЭС, захоронениями и складированиями радиоактивных отходов.

Уравнение распада (установлено экспериментально)

N = N0е - t, (7.1)

lnN =lnN0 -t (7.2)

N - наблюдаемое количество материнского элемента на момент измерений t; N0 - начальное количество материнского элемента на начальный момент времени t = 0; - постоянная распада (радиоактивная постоянная или постоянная прекращений).

(Физический закон. Описывает зависимость интенсивности радиоактивного распадаот времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, Впоследствии оба были награждены Нобелевской премией. В указанном математическом выражении  -- постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с?1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем).

Примером, поясняющим основной закон распада (превращений) могут служить графики распада (кривая А) и накопления (кривая В) радона (рис.7.7 и 7.8).

Распад и накопление радона - Rn

Количество радона в данный момент времени;

Rn? - равновесное количество радона;

t - время в сутках

 По угловому коэффициенту на рис.7.8 можно определить постоянную распада радона.

Рис. Распад радона (полулогарифмический масштаб)

lnRn - логарифм количества радона;

t - время от начала распады в сутках

Подставляя в выражение (7.2) вместо t период полураспада Т, а вместо N соответствующее этому промежутку времени значение N= N0/2 получим

T = ln2/л =0,693/л

Применительно к радону, который мы использовали в качестве примера (для него л= 0,1813/сут), получим Т= 3,824 сут.

Размещено на Allbest.ru