Открытие явления радиоактивности определило развитие науки и общества в течение всего XX века. Возможно, исследование радиоактивности и ядра атома стало важнейшим, что произошло в науке XX века. История, которая привела к открытию радиоактивности, произошла 8 ноября 1896 года, когда Вильгельм Конрад Рентген, ректор университета в Вюрцбурге, занимался экспериментами в лаборатории. Он проводил опыты с катодной трубкой, в которой находится два электрода, к которым приложен потенциал, из трубки откачан воздух, и создано разрежение.

Такие эксперименты проводились для исследования проводимости газов, и Рентген был далеко не первым. Дело было в ноябре, когда темнело рано, а рядом с экспериментальной установкой стоял экран, пропитанный раствором люминофора, и Рентген неожиданно обнаружил легкое свечение этого экрана. Он стал исследовать излучение, которое вызвало свечение экрана и проходило сквозь темную бумагу и стенки трубки, и решил проверить проникающую способность излучения. Он взял кусочек свинца и поднес его к экрану, после чего увидел удивительную вещь: на экране была тень от пальцев, на которой он увидел свои кости. До Рентгена никому не удавалось в жизни увидеть собственный скелет. Это открытие вызвало ажиотаж не только в научных кругах, но и в обществе. В газетах сообщения об этом открытии появились раньше, чем в научных журналах.

Когда было обнародовано сообщение об этом открытии во Франции, физик Анри Беккерель заинтересовался экспериментом и решил установить возможную связь между явлением люминесценции и таинственными лучами. До Беккереля люминесценцию изучал его дед и отец. Анри Беккерель занимался исследованием соли урана, в ходе которого обнаружил, что соль урана вызывает потемнение фотопластинки, даже если ее предварительно не освещать светом. То есть ураном излучаются лучи, подобные икс-лучам Рентгена. Их сначала назвали урановыми лучами, потом лучами Беккереля.

Позже Мария Кюри предложила понятие «радиоактивность» и вместе со своим супругом Пьером Кюри подключилась к исследованиям радиоактивности. Пьер Кюри создал специальное оборудование для количественного измерения радиоактивности. Мария Кюри много работала с урановыми минералами и в какой-то момент обнаружила, что радиоактивность урановых минералов существенно выше, чем радиоактивность самого урана. Тогда она провела титаническую работу по переработке урановых минералов с целью найти источник избыточной радиоактивности. Вместе с супругом они открыли два новых элемента в урановой руде. В течение четырех лет она работала над выделением радия, одного из новых элементов, и к 1902 году было получено порядка 100 миллиграммов радия.

Казалось бы, что особенного: еще один химический элемент, их открывают до сих пор. Но это было не просто открытие еще одного элемента. Радий обладал уникальными свойствами: самопроизвольно разогревался, светился в темноте. У ученых оказался важнейший исследовательский инструмент в руках. Они стали изучать излучение, которое испускает радий, пытались понять природу энергии, которая заставляет его греться, светиться, испускать лучи, которые сумели разделить на три группы и классифицировать: альфа-, бета- и гамма-излучение. Впервые эти обозначения ввел Резерфорд, и мы пользуемся ими по сей день.

Дальше была проведена серия экспериментов с препаратами радия. К ним можно отнести эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, которые в итоге привели к представлениям о строении атома, к понятию о том, что внутри атома есть ядро, которое положительно заряжено. Были проведены первые ядерные реакции, то есть превращение одних элементов в другие с помощью излучения радия.

Удалось установить, что при распаде радия образуются новые химические элементы, и была выяснена природа радиоактивности. Стало понятно, что радиоактивность — это процесс самопроизвольного превращения одних химических элементов в другие. Так был положен конец представлениям, которые бытовали в химии на протяжении столетий, о неизменности элементов.

Сейчас известно около трех тысяч ядер, из которых примерно триста являются стабильными, а все остальные претерпевают тот или иной тип радиоактивного распада. Почему получается, что одни ядра устойчивы, а другие радиоактивные? Это связано с составом ядра и с теми силами, которые действуют в ядре. Согласно современным представлениям, ядра состоят из протонов и нейтронов, существуют их определенные устойчивые комбинации. Наиболее устойчивые ядра находятся в области средних масс, примерно в районе железа. Также известно, что более устойчивые ядра — это те, где число протонов и нейтронов четное. Кроме того, есть эффекты, связанные с заполнением ядерных оболочек: существуют «магические» числа, когда оболочки заполнены, этим числам протонов и нейтронов соответствуют наиболее устойчивые типы ядер.

Если же ядро перегружено протонами по отношению к нейтронам или наоборот, то оно будет претерпевать радиоактивный распад до тех пор, пока не превратится в стабильное ядро. Радиоактивность — это не только процесс радиоактивного распада, но и величина, которая используется для характеристики этого процесса. Она представляет собой количество ядер, распавшихся за единицу времени. Для любого образца радиоактивного препарата его радиоактивность пропорциональна количеству ядер, которые есть в наличии. Из этого следует закон радиоактивного распада, говорящий, что радиоактивность убывает экспоненциально. На практике радиоактивность удобно характеризовать параметром «период полураспада» — это величина, за которую распадается примерно половина от исходного количества ядер.

Из атомного ядра можно получать энергию двумя способами. Энергия будет выделяться при расщеплении более тяжелых ядер на более легкие фрагменты — этот процесс реализован на атомных электростанциях либо в атомном оружии. Второй способ — слияние легких ядер и образование более тяжелых. Этот процесс происходит в звездах при нуклеосинтезе. И звезды являются преобразователями более легких ядер в более тяжелые за счет процессов ядерных реакций и последующего радиоактивного распада.

Рекомендуем по этой теме:
38649
5 мифов об атомах

Для того чтобы понять механизм образования нашей Земли и космоса, нам надо анализировать состав того вещества, с которым мы имеем дело. Если мы анализируем вещественный состав Земли, то мы мало что сможем узнать, потому что Земля имеет сложную геологическую историю, материал претерпевал множество трансформаций в процессе.

Для того чтобы понять, какое вещество было изначально, какой Земля имела состав, лучше исследовать метеориты, причем те, которые имеют минимально трансформированный состав с момента их образования. Это первичное вещество Солнечной системы, и, анализируя его, мы можем приоткрыть завесу над законами, которые приводят к образованию ядер, к формированию всех веществ, с которыми мы имеем дело. Любой человек является результатом звездных процессов. Это не метафора, потому что любой атом внутри нас, который тяжелее водорода, уже когда-то побывал в недрах звезд.

Исследования состава земной коры ведутся достаточно давно. В 1910 году первые данные сформулировал американский геолог Франк Кларк. В это же время шли интенсивные исследования метеоритов, которые проводил норвежский геохимик Виктор Гольдшмидт. Оказалось, что состав метеоритов сильно отличается от состава земной коры. Земля претерпела разделение на мантию, ядро и земную кору. Одни элементы имеют свойство концентрироваться внутри ядра, а другие, наоборот, в земной коре.

Средний состав Солнечной системы мы можем получить, анализируя метеориты. Было обнаружено, что они содержат в себе небольшие тугоплавкие включения, которые имеют несколько больший возраст, чем остальной материал метеорита. Необычно было сочетание изотопов магния в этих метеоритах, и это означало, что они были обогащены изотопом магния-26 по отношению к обычному составу магния. Избыток 26-го магния был пропорционален содержанию алюминия в тех же метеоритах. Из этого следовал тривиальный вывод, что магний является результатом радиоактивного распада 26-го алюминия. Это короткоживущий по космическим меркам радионуклид, порядка 700 тысяч лет. Он был в том веществе, из которого эти тугоплавкие включения и конденсировались.

Из этого следует, что в процессе образования Солнечной системы большое количество некоего свежего звездного материала, который только образовался, было привнесено в газопылевую туманность, из которой сформировалась потом Солнечная система. Этот самый алюминий-26 сейчас рассматривается как возможный источник тепла, которое привело к расплавлению мелких космических тел. Не исключено, что радиоактивный распад является одним из важных источников тепла как для космических тел, так и для Земли.

Влияние явления радиоактивности на развитие жизни на Земле предстоит установить более подробно. Но уже сейчас существует много работ на эту тему. Они связаны с изучением теплового баланса Земли, потому что внутреннее тепло Земли является источником тектоники плит, то есть это источник свежего геохимического материала на поверхности Земли и основа жизни. Без внутреннего тепла не было бы магнитного поля и никакой жизни. Еще один вопрос, на который пока нет ответа, заключается в том, как излучение радиоактивных элементов, которые были гораздо более интенсивны в юности нашей планеты, могли влиять на трансформации органических веществ, которые потом могли стать основной жизни.