Явление радиоактивности представляет собой самопроизвольное превращение атомных ядер нестабильных изотопов в другие ядра, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. В основе этого процесса лежат внутренние ядерные взаимодействия, не зависящие от внешних условий — температуры, давления, агрегатного состояния и химической формы вещества.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным ядерным взаимодействием. Устойчивость ядра определяется балансом между силами притяжения нуклонов и кулоновским отталкиванием протонов. При определённом соотношении числа нейтронов и протонов этот баланс нарушается, и ядро оказывается энергетически неустойчивым. Такое ядро стремится перейти в более устойчивое состояние, что и реализуется через радиоактивный распад.
Радиоактивность является ядерным, а не химическим явлением. Она не затрагивает электронную оболочку атома напрямую и не зависит от химических связей, что принципиально отличает её от всех химических реакций.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Анри Беккерелем при изучении фосфоресценции солей урана. Позднее Мария и Пьер Кюри установили, что радиоактивность является внутренним свойством атомов некоторых элементов, а не результатом внешнего воздействия. Были открыты новые радиоактивные элементы — полоний и радий, что подтвердило существование неизвестных ранее ядерных процессов.
Дальнейшие исследования привели к формированию ядерной физики и ядерной химии как самостоятельных научных дисциплин, изучающих свойства атомных ядер, ядерные превращения и продукты радиоактивного распада.
Радиоактивный распад сопровождается испусканием различных типов излучения, различающихся по природе, проникающей способности и ионизирующему действию.
Альфа-частицы представляют собой ядра атома гелия (^4_2He), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они обладают:
При альфа-распаде заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число — на 4. В результате образуется новый химический элемент.
Бета-излучение связано с превращениями нуклонов внутри ядра и подразделяется на два типа:
Особенности бета-излучения:
Гамма-излучение представляет собой поток высокоэнергетических фотонов электромагнитной природы. Оно испускается при переходе возбужденного ядра в более низкое энергетическое состояние.
Характерные свойства:
Гамма-излучение не изменяет состав ядра, а лишь сопровождает другие виды распада.
Радиоактивный распад подчиняется строгому статистическому закону. Для каждого радиоактивного изотопа вероятность распада ядра за единицу времени постоянна и характеризуется постоянной распада λ.
Количество нераспавшихся ядер со временем уменьшается по экспоненциальному закону:
[ N = N_0 e^{-t}]
Практически важной характеристикой является период полураспада (T_{1/2}) — время, за которое распадается половина первоначального числа ядер. Он связан с постоянной распада соотношением:
[ T_{1/2} = ]
Период полураспада может варьировать от долей секунды до миллиардов лет, что определяет как опасность, так и практическую ценность радиоизотопов.
Многие тяжелые радиоактивные ядра распадаются не напрямую в стабильные изотопы, а через цепочку последовательных превращений, называемую радиоактивным рядом. Каждый этап сопровождается α- или β-распадом.
Известны основные природные радиоактивные ряды:
Каждый ряд заканчивается образованием стабильного изотопа свинца. Радиоактивные ряды имеют важное значение для геохронологии и изучения возраста земных пород.
Естественная радиоактивность обусловлена присутствием в природе долгоживущих радиоактивных изотопов (уран, торий, калий-40) и продуктов их распада. Она является постоянным фактором окружающей среды.
Искусственная радиоактивность возникает при ядерных реакциях, вызванных облучением стабильных ядер нейтронами, протонами или другими частицами. Открытие искусственной радиоактивности позволило получить тысячи радиоизотопов, не существующих в природе.
Хотя радиоактивный распад является ядерным процессом, его последствия напрямую связаны с химией:
В ядерной химии изучаются методы выделения и идентификации радиоизотопов, их химическое поведение, а также влияние излучения на химические системы.
Явление радиоактивности лежит в основе:
Радиоактивность является фундаментальным проявлением свойств материи на ядерном уровне и играет ключевую роль в понимании строения вещества и эволюции химических элементов.