11.1: Радіоактивність

Фактичне відкриття радіоактивності, як правило, приписують французькому вченому Анрі Беккерелю в 1896 році. Як і в більшості відкриттів, він працював над чимось іншим. В даному випадку це була природа фосфоресценції; властивість деяких речовин «світитися в темряві» після впливу світла. В ході своєї роботи він дозволяв контактувати фотопластин з урановими солями, тільки щоб з'ясувати, що уран «запотів» нерозкриті пластини. Подальша робота Беккереля та інших (включаючи Марі Кюрі) привела до усвідомлення того, що певні елементи спонтанно виробляли різноманітні частинки, деякі з яких були заряджені (як позитивні, так і негативні) і один клас, який мав вищу енергію, але виявився нейтральним. Три основні класи частинок були охарактеризовані та ідентифіковані як «альфа», «бета» та «гамма» частинки. Альфа-частинки були позитивними, відносно масивними і, подальша робота показала, що вони ідентичні ядру атома гелію, що містить два протони і два нейтрони. Бета-частинки мали дуже малу масу. Вони були вищої енергії і вони несли негативний заряд; еквівалентний за масою і заряду електрону. Гамма-частинки (насправді їх називають гамма-променями) були набагато енергійнішими, здавалися нейтральними і були порівнянними з високоенергетичним фотоном світла. Хоча це було видно не відразу, одним з найдивовижніших спостережень щодо радіоактивних елементів було те, що, коли вони випромінювали частинки, ідентичність елемента повільно змінювалася; наприклад, уран повільно збагачувався свинцем.

Коли альфа, бета- або гамма-частинки стикаються з мішенню, частина енергії в частинці передається мішені, як правило, призводить до просування електрона до «збудженого стану». У багатьох «мішенях», особливо в газах, це призводить до іонізації, а альфа, бета- і гамма-випромінювання широко називають іонізуючим випромінюванням. Лічильник Гейгера (або лічильник Гейгера-Мюллера) використовує це для того, щоб виявити ці частинки. У трубці Гейгера електрон, вироблений іонізацією неполоненого газу, рухається до анода і зміна напруги виявляється приєднаною схемою. Більшість лічильників такого типу призначені для того, щоб видавати чутний «клацання» у відповідь на зміну напруги, а також показувати його на цифровому або аналоговому лічильнику.

Сьогодні ми визнаємо, що радіоактивний розпад насправді досить складний, але основні принципи та закономірності, які були встановлені понад 100 років тому, все ще залишаються в силі. Три основні субатомні частинки, які відбуваються в радіоактивному розпаді, - це альфа-частинка, бета-частинка та гамма-промінь. Гамма-промінь має найвищу енергію (і, можливо, найбільшу кінцеву небезпеку), але з точки зору хімії найбільший інтерес представляють альфа- і бета-частинки. Альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів. Має масу в чотири аму і заряд +2. Він ідентичний з гелієвим ядром, і коли радіоактивний елемент випромінює альфа-частинку, він втрачає чотири аму від свого ядра, включаючи два протони. Оскільки кількість протонів у ядрі визначає ідентичність елемента, атомний номер елемента зменшується на два, коли він втрачає альфа-частинку; таким чином уран (\(\ce{_{92}^{238}U}\)) втрачає альфа-частинку і стає атомом торію (\(\ce{_{90}^{234}Th}\)); ми обговоримо цей процес далі в наступному розділ. Для того, щоб бета-частинка (електрон) вийшла з ядра, вона повинна бути утворена розкладанням нейтрона (у дуже простому масштабі подумайте про нейтрон як про те, що складається з позитивного протона, пов'язаного з негативним електроном). Коли нейтрон розпадається і випромінює бета-частинку, він залишає після себе новоутворений протон. Знову ж таки, це змінює ідентичність відповідного елемента.