4.8: Випромінювання

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Незадовго до початку ХХ століття були зроблені додаткові спостереження, які суперечили частинам атомної теорії Дальтона. Французький фізик Анрі Беккерель (1852-1928) випадково виявив, що сполуки урану і торію випромінюють промені, які, як промені сонячного світла, можуть затемнювати фотоплівки. На малюнку видно фотографічний Беккерель, $\PageIndex{2}$ який використовується, затемнений променями, випромінюваними ураном. Промені Беккереля відрізнялися від світла тим, що могли навіть проходити крізь чорні паперові обгортки, в яких зберігалися його фільми.

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Зображення фотографічної пластини Беккереля, яка була запітніла під впливом радіації уранової солі. Тінь металевого мальтійського хреста, розміщеного між пластиною і урановою сіллю, добре видно (суспільне надбання).

Виявлення радіації

Хоча вони невидимі для людського ока, промені можна було легко виявити, оскільки вони виробляли видиме світло, коли вони вражали люмінофори, такі як нечистий сульфід цинку. Така люмінесценція схожа на світіння психоделічного плаката, коли в нього потрапляють невидимі ультрафіолетові (чорне світло) промені. Подальші експерименти показали, що якби промені пропускали між полюсами магніту, їх можна було б розділити на три групи, наведені на малюнку $\PageIndex{2}$ .

Рисунок $\PageIndex{2}$ : Поведінка α частинок, β частинок та γ променів при проходженні через магнітне поле.

Властивості α, β і γ частинок

Оскільки про ці промені мало або нічого не було відомо, вони були позначені першими трьома літерами грецького алфавіту. При проходженні через магнітне поле альфа-промені (α промені) відхилялися трохи в одну сторону, бета-промені (β промені) відхилялися в набагато більшій мірі в зворотному напрямку, а гамма-промені (γ промені) взагалі не відхилялися (рис. $\PageIndex{2}$ ). Прогин магнітом - характеристика електрично заряджених частинок (на відміну від променів світла). З напрямку і ступеня відхилення було зроблено висновок, що β частинки мали негативний заряд і були набагато менш масивними, ніж позитивно заряджені α частинки. γ промені поводилися не так, як електрично заряджені частинки, і тому назва променів було збережено для них. Взяті разом частинки α, β частинки та γ промені називали радіоактивністю, а сполуки, які випромінювали їх, як радіоактивні.

Малюнок $\PageIndex{3}$ : Ця діаграма демонструє здатність проникати в речовини різного роду іонізуючого випромінювання. Альфа-частинки зупиняються аркушем паперу, тоді як бета-частинки зупиняються на алюмінієвій пластині. Гамма-випромінювання гасне, коли воно проникає в речовину. (CC BY-SA 2.5; Штанеред).

Три типи частинок сильно відрізняються проникаючою здатністю Малюнок $\PageIndex{3}$ . Хоча γ частинки можуть проникати в кілька міліметрів свинцю, β частинки можуть проникати в 1 мм алюмінію, але частинки α не проникають в тонкий папір або сантиметр або два повітря. Висока проникаюча здатність γs не робить їх більш небезпечними, тому що якщо вони проникають в речовину, вони не викликають змін в ній. З іншого боку, якщо джерело α знаходиться на відстані декількох дюймів, це зовсім не шкідливо; але якщо вдихається α випромінювач, такий як радон, $\alpha$ частинки дуже небезпечні. Оскільки вони не проникають у речовину, їх енергія поглинається в альвеолах легені, де вона спричиняє молекулярне пошкодження, іноді призводить до раку легенів.

Трансмутація

Вивчення радіоактивних сполук французьким хіміком Марі Кюрі (1867 - 1934) виявило наявність декількох раніше невідкритих елементів (радію, полонію, актинію та радону). Ці елементи, і будь-які сполуки, які вони утворювали, були інтенсивно радіоактивними. Коли сполуки торію і урану очищалися для видалення знову виявлених елементів, рівень радіоактивності помітно знизився. Однак він знову збільшився протягом місяців або років. Навіть якщо сполуки урану або торію були ретельно захищені від забруднення, через такий час в них можна було знайти невеликі кількості радію, полонію, актинію або радону. Для хіміків, які були навчені приймати незнищувані атоми Дальтона, ці результати були інтелектуально неприємними. Неминучий висновок полягав у тому, що частина атомів урану або торію спонтанно змінювала свої структури і ставала атомами нововиявлених елементів. Зміна атомної структури, яка виробляє інший елемент, називається трансмутацією.

Трансмутація урану в більш радіоактивні елементи могла б пояснити підвищений викид випромінювання ретельно герметичним зразком уранової сполуки. Під час цих експериментів з радіоактивними сполуками було помічено, що мінерали, що містять уран або торій, завжди містять свинець.

$\ce{^{238}_{92}U} \rightarrow \ce{^{234}_{90}Th} + \alpha \nonumber$

Цей свинець, мабуть, зумовлений подальшою трансмутацією високорадіоактивних елементів радію, полонію, актинію та радону. Свинець, виявлений в уранових рудах, завжди мав значно меншу атомну вагу, ніж свинець з більшості інших джерел (до 206,4 порівняно з 207,2, прийнятим значенням). Свинець, пов'язаний з торієм, завжди мав надзвичайно високу атомну вагу. Проте всі три форми свинцю мали однакові хімічні властивості. Після змішування між собою їх неможливо було відокремити. Такі результати, а також зворотний порядок таких елементів, як Ar і K в таблиці Менделєєва, мали на увазі, що атомна вага не є основним детермінантом хімічної поведінки.