Естественная и искусственная радиоактивность

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с выделением энергии. Этот процесс называют радиоактивностью. Естественная радиоактивность впервые обнаружена на солях урана в 1896г. французским физиком А. Беккерелем и исследована затем Пьером и Марией Кюри. Было установлено, что радиоактивный распад сопровождается испусканием α-, β-, и γ-лучей. Большинство естественных радиоактивных элементов образует радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и, в свою очередь, превращается в последующий. Процесс радиоактивных превращений продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп. Для некоторых естественных радиоактивных элементов (40 К, 87 Rb, 152 Sm и др.) распад ограничивается одним звеном превращения.

Искусственная радиоактивность открыта в 1934г. французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Они установили, что при облучении стабильных элементов α-частицами образуются радиоактивные изотопы фосфора, азота и кремния – элементов, не име6ющих естественных радиоактивных изотопов. В дальнейшем при облучении стабильных элементов α-частицами, протонами, дейтронами и нейтронами, были получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, начиная от водорода и кончая ураном, причем для большинства элементов получено несколько радиоактивных изотопов.

Существуют следующие основные виды распада природных радиоактивных элементов.

1. Испускание α-частицы, представляющей собой положительно заряженное ядро гелия с атомным номером Z=2 и массовым числом М=4. Ядро, образовавшееся в результате α-распада, имеет массовое число на четыре единицы, а порядковый номер на две единицы меньше, чем у исходного ядра, например:

2. Испускание отрицательных или положительных α-частиц - электрона (обозначается е - или β -) или позитрона (е + или β +), представляющих собой заряженные частицы с примерно одинаковой массой (m e =0,9035-10 -27 г), составляющей всего 1/1835 часть массы протона. При этом массовое число продукта распада такое же, как у исходного ядра, а порядковый номер увеличивается или уменьшается на одну единицу, например:

.

В приведенных записях реакций отмечена важная особенность β-распада: он всегда сопровождается испусканием нейтральной частицы с нулевой массой - нейтрино v при β + -распаде и антинейтрино v при β - -распаде. Очень часто основные (обязательные) продукты распада, α- и β-частицы, а также нейтрино (антинейтрино) , уносят не всю энергию реакции распада. Избыток энергии испускается в виде одного или нескольких -квантов

.

3. Захват ядром электрона одной из оболочек атомов. В результате этого процесса, называемого электронным захватом (ЭЗ), атомный номер (как и при β + -распаде) уменьшается на одну единицу, а энергия реакции уносится нейтрино и в некоторых случаях также -γ-излучением, например:

.

При занятии вакантного места на электронной оболочке другим электроном возникает также характеристическое рентгеновское излучение элемента - продукта реакции.

Электронный захват с К-, L -оболочек принято называть соответственно (К -захватом, L -захватом и т. д.

4. Самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (238 U , 232 Th ) на две части, обычно с неодинаковой массой. При самопроизвольном делении помимо осколков деления излучаются два или три нейтрона, а иногда и другие частицы. Вновь образовавшиеся ядра обычно нестабильны и распадаются путем испускания нескольких нейтронов и β - -частиц. В ядерной геофизике вызывает интерес испускание некоторыми продуктами деления так называемых запаздывающих нейтронов, сопровождающих β-распад, например:

Регистрацию таких нейтронов используют для определения содержания урана.

5. Испускание одного или двух протонов, при котором масса и заряд уменьшаются на одну или две единицы, наблюдается лишь у части искусственных радиоактивных изотопов с исключительно большим дефицитом нейтронов (соответственно с избытком протонов), например:

.

Этот вид распада недавно открыт советскими учеными, и его значение для ядерной геофизики еще не изучено.

Иногда к радиоактивному распаду относят также переход некоторых ядер из метастабильного (относительно устойчивого возбужденного) состояния в основное с испусканием одного или нескольких γ-квантов. При этом ядерного превращения (в смысле изменения его массы или заряда) не происходит. Однако закон уменьшения числа активных (метастабильных) ядер совпадает с законом радиоактивного распада, что и оправдывает отнесение этого процесса, называемого изомерным переходом (ИП), к особому виду радиоактивности.

Возбужденное ядро-изомер некоторого элемента М Х принято обозначать М m Х. Изомеры обычно получают возбуждением ядер при бомбардировке ядерными частицами или иногда как промежуточный продукт при распаде некоторых ядер. Например, при распаде UX 1 кроме изотопа 234 Pa(UZ) образуется его изомер 234 m Pa(UX 2), имеющий другой период полураспада.

Обычно радиоактивный элемент распадается одним из перечисленных выше способов. Однако многие из них могут распадаться различными путями. Так, например, 226 Ra в 99 % случаев превращается в 222 Rn, излучая α-частицу с энергией 4,9 МэВ. Однако наблюдается переход радия в радон и с испусканием двух частиц: α -частицы с энергией 4,7 МэВ и γ-кванта с энергией 0,2 МэВ. Некоторые радиоактивные элементы распадаются, образуя два или более новых элементов. Так, около 12 % атомов 40 К испытывают К -захват и превращаются в атомы аргона 40 Аr с последующим излучением γ -квантов с энергией 1,46 МэВ. Остальные 88 % 40 К превращаются в атомы кальция 40 Са с излучением β-частицы. Распад искусственных радиоактивных элементов, как правило, сопровождается испусканием электронов (или позитронов) и γ –лучей.

В природе обнаружено более 50 естественных радиоактивных элементов. Наиболее распространены тяжелые элементы, входящие в состав радиоактивных семейств урана , актиноурана AcU и тория ( ,рис. 5.1). В ничтожно малых количествах в природе встречаются элементы семейства нептуния , распад которых ограничивается одним звеном превращений. Из анализа рис. 5.1 следует, что характер распада этих семейств имеет много общего.

В формировании фонового облучения существенную роль отыгрывают искусственные источники радиации. Явление искусственной радиоактивности открыто в 1934 г. супругами Жолио-Кюри, которые показали, что при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов образуются другие элементы, являющиеся радиоактивными

Ядра стабильных элементов можно бомбардировать также нейтронами. В настоящее время известно свыше 900 радионуклиидов, получаемых искусственным путем. Особенно много искусственных радионуклиидов получают в ядерных реакторах, в т.ч. и реакторах АЭС. Большинство из них являются альфа-излучателями и имеют большие периоды полураспада. Не существует элементов, у которых не было бы радиоактивного изотопа.

Искусственные радионуклеиды появились в связи с деятельностью человека. Они подразделяются на три группы:

1. Радиоактивные продукты ядерного деления. Они возникают при реакциях деления ядер 235U, 238 U, 239Pu и т.д., которые происходят в результате действия на них нейтронов. Источники этой группы радионуклидов в атмосфере - испытания ядерного оружия, работа предприятий ядерного топливного цикла и атомной промышленности (ядерно-энергетические установки, радиохимические заводы и т. д.). При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов. К радиоактивным продуктам деления (РПД): относятся: 131J, 137Cs, 90Sr, 140 Ba, 133Xe и многие другие. Период полураспада РПД от нескольких секунд до нескольких десятков лет.

Большинство образующихся радионуклиидов являются бета- и гамма-излучателями (131J, 137Cs, 140Ba), остальные испускают или только бета-частицы (90 Sr, 135Cs) или альфа-частицы (144Nd, 147Sm).

2. Радиоактивные трансурановые элементы, возникающие в ядерно-энергетических установках и при ядерных взрывах в результате последовательных ядерных реакций с ядрами атомов делящегося вещества и последующего радиоактивного распада образующихся сверхтяжелых ядер. К этим радионуклидам относятся 237Np, 239Pu, 241Am, 242Cm и др. В основном они альфа-активны, характеризуются очень большим периодом полураспада, отсутствием стабильных изотопов.

3. Продукты наведенной радиоактивности, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц. Нейтроны, образующиеся при цепной реакции деления урана или плутония воздействуют на ядра стабильных элементов окружающей среды, превращая их в радиоактивные (реакция активации). К этим радионуклидам относятся: 45Ca, 24Na, 27Mg, 29Al, 31Si, 65Zn, 54Fe и др. Большая часть их распадается с испусканием бета- частиц и гамма- излучения.

Основными компонентами, составляющими искусственный (ИРФ ) являются:

Воздействие на человека радиоактивных выпадений включает бета- и гамма-облучение за счет радионуклидов, присутствующих в приземном воздухе и выпавших на поверхность земли; за счет загрязнения радионуклидами кожных покровов и одежды; за счет внутреннего облучения от попавших в организм радионуклидов с вдыхаемым воздухом, пищей, водой.

2. Загрязнения локального, регионарного и глобального характера, обусловленные неаварийными выбросами АЭС и радиоактивными отходами и особенно при авариях на АЭС. При работе ядерных реакторов как и при ядерных взрывах образуется большое количество радионуклидов (продукты деления 235U, 234Pu). Основная масса продуктов деления задерживается и остается непосредственно в топливной композиции. Радиоактивные отходы могут быть в виде газов, аэрозолей, жидкостей и в твердом виде. Для задержки газоаэрозольного выброса АЭС устанавливаются фильтры, используются камеры выдержки, радиохроматографические системы (адсорбция газов на активном угле). Газоаэрозольный выброс - поступление радиоактивных веществ в вытяжную трубу высотой 100-150 м. Рассеиваясь в атмосфере, они образуют облако выброса. При движении облака в атмосфере происходит людей бета- и гамма-излучением. Аэрозольные частицы, выпадая из облака, оседают на местности и мигрируют в элементах экологических систем. Часть радионуклидов, поступивших с пищей обусловливают . Если в оболочке ТВЭЛов образуются дефекты, то продукты деления могут поступать в теплоноситель. Жидкие отходы могут попасть в реки и озера.

При работе предприятий урановой промышленности возможно загрязнение окружающей среды радионуклидами на каждом из этапов производства (добыча, переработка, обогащение урана, приготовление ядерного топлива). Так, на рудниках окружающая среда загрязняется радионуклидами семейства урана-235, в основном радоном и продуктами его распада, находящимися в вентиляционном воздухе. Отвалы бедных руд вблизи обогатительных фабрик также являются источником эмиссии в атмосферу радона и продуктов его распада. При регенерации ядерного топлива на радиохимических заводах в выбросах могут быть 3Н, 14С, 137Сs и др.

3. Использование открытых источников ионизирующих излучений в промышленном производстве, сельском хозяйстве, в научных целях, медицине и т.д. Радиоактивные широко применяются в промышленности. Например, контроль износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания осуществляют, облучая кольцо нейтронами, в результате чего оно становится радиоактивным. При работе двигателя частицы материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла за определенное время работы двигателя, находят износ кольца. С помощью радиоактивной дефектоскопии устанавливают наличие, место нахождения, форму и размеры внутренних дефектов в материалах и изделиях и т.д.

Широкое применение нашли радионуклиды в медицине. С их помощью диагностируют состояние отдельных органов - печени, легких, щитовидной железы и т.д. (32Р, 57Се, 131J, 133Хе и др.). Их используют для диагностики и лечения опухолей. С этой целью в организм вводят 131J, так как обмен веществ в опухоли происходит быстрей, чем в здоровых тканях, радиоизотоп йода быстрее накапливается в опухоли. Исследуя излучения над разными участками тела, находят месторасположения опухоли.

Особую роль играет радиационная стерилизация инструментов, одноразовых шприцев, ваты, бинтов и т.д. Нашли применение радионуклиды и в сельском хозяйстве. семян повышает их всхожесть и урожайность. Применяют излучения и для дезинсекции зерна, консервации сельхозпродуктов. Радиоактивные вещества (их излучения) применяются также в археологии, геологии, геохимии и в др. отраслях.

Естественная называют радиоактивность изотопов, существующих в природе, или радиоактивность изотопов, образующихся в результате природных процессов (все изотопы полученные естественно).

Искусственной называют радиоактивность изотопов, которые возникают в результате деятельности человека (изотопы, полученные и получаемые на ускорителях частиц).

Использование радионуклидов в медицине.

В диагностических и терапевтических целях в медицине широко используют радионуклиды.В природе их нет. Получают искусственно.

Радионуклидами называют изотопы с малым периодом полураспада.

Диагностическое применение основано на избирательном накоплении химических элементов отдельными органами (йод, кальций, железо и др.). Введение в организм радиоизотопов позволяет определить области их концентрации и получить важную диагностическую информацию. Такой метод называется метод меченых атомов.

Терапевтическое использование радионуклидов основано на разрушающем действии ионизирующего излучения на клетки опухолей.

1. Гамма –терапия – для разрушения …
глубоко расположенных опухолей облучают гамма — лучами источника излучения радиоизотопа 60 Со.

В целях защиты здоровых клеток в разных направлениях облучают по разному.

2. Альфа – терапия – лечебное использование альфа – частиц возможно при непосредственном контакте с поверхностью органа, т.к., альфа – частицы обладают значительной линейной плотностью ионизации и поглощается небольшим слом воздуха.

Контрольные вопросы по разделу

1. Каково строение ядер атомов? Каковы свойства ядерных сил? От чего зависит устойчивость ядер?

2. В чем состоит радиоактивный распад ядер? Каковы виды радиоактивного распада? Назовите правила смещения. Какие законы сохранения выполняются при радиоактивном распаде?

3. Каковы энергетические спектры альфа-частиц и гамма-излучений, сопровождающих распад? Какую информацию они дают?

4. Расскажите о естественной и искусственной радиоактивности и методах получения радионуклидов. Ч такое нейтронная активация?

5. Приведите примеры распада основных радионуклидов, определяющих характер радиоактивного заражения после аварии на ЧАЭС.

6. В чем состоит основной закон радиоактивного распада? Каков смысл входящих в него величин? Приведите его график. Какова связь между постоянной радиоактивного распада, периодом полураспада и средней продолжительностью жизни нуклидов?

7. Что такое активность? В каких единицах она измеряется? Какова связь между системными и внесистемными единицами активности? Что такое удельная объемная, массовая и поверхностная активность? Назовите единицы их измерения.

8. Какая связь между активностью и массой радионуклидов?

9. Каковы основные параметры, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом? Охарактеризуй те из (линейная плотность ионизации, линейная передача энергии, средний линейный пробег).

10. Каковы особенности взаимодействия с веществом, альфа- и бета-частиц, нейтронов и гамма-излучений? Укажите принципы защиты от ионизирующих излучений.

11. Каковы физические основы радионуклидных методов диагностики? Охарактеризуйте гамма-хронографию и гамма-топографию.

12. На каких физических явлениях основана работа позитронно-эмиссионного томографа (ПЭТ)? Каковы его возможности?

13. Каковы физические принципы и возможности лучевой терапии?

Дозиметрия

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия — раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Процессы взаимодействия излучения с тканями зависят от вида ткани. Для различных типов излучений она протекает не одинаково. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом.

Поглощенная энергия — первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина — доза излучения (доза — порция).

Поглощенная доза(D) — величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

D = ∆E/ m∆

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея. 1 Гр= Дж/кг -это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад (1 рад = 10 -2 Гр).

Величина поглощенной дозыучитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излученияхарактеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр — коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

История развития радиобиологии.

Радиобиология – наука, изучающая механизмы и закономерности действия ИИ на биологические объекты в биологии, медицине, сельском хозяйстве и других сферах деятельности человека.

1895 – В. К. Рентген обнаружил Х-лучи.

1896 – А. Беккерель установил радиоактивность солей урана. Мария Склодовская и Пьер Кюри продолжили исследование радиоактивных элементов полония и радия, содержащихся в виде примесей в солях урана.

Сначала радиобиология носила описательный характер, разработаны методы оценки биологических реакций с позиции «доза-эффект» на уровнях от молекулярного до организменного.

На основе работ Г. А. Надсона и Г. Ф. Филиппова о генетическом воздействии излучений и исследований Г. Мюллера была введена количественная оценка радиобиологических эффектов в радиационную генетику.

Ветеринарная радиобиология изучает эффекты биологического действия радиации и выясняет особенности развития возникающих патологических процессов у животных.

В учебный план вузов курс радиобиологии был введен в 1959 г.

Строение атома

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которую разил в 1913 г. Н. Бором.

Атом состоит из нейтронов, протонов и электронов.

Электронная оболочка – электроны группируются вокруг ядра на различных уровнях в зависимости от энергии, удерживающей их на орбите: K, L, M, N, O, P, Q.

Электрон – устойчивая элементарная частица с массой покоя (масса при скорости равной 0) 0,000548 U, 9,1∙10-28 г.

Протон – устойчивая элементарная единица, 1,00758 U, 1,6725∙10-24 г. Количество протонов в ядре называется атомным номером или зарядовым числом.

Нейтрон – электрически нейтральная частица, 1,00898 U. Сам по себе нестабилен. В свободном состоянии он испускает электрон и антинейтрино, превращаясь в протон. Он не отталкивается атомным ядром, не отклоняется под действием магнитного поля, обладает большой проникающей способностью.

Массовое число – сумма нейтронов и протонов в ядре.

Число нейтронов N=A-Z, где А – массовое число, а Z – порядковый номер.

Ионизация – отделение или присоединение к атому одного или нескольких электронов.

Рекомбинация, или деионизация – процесс замещение отщепившегося с орбиты атома электрона с выделением избыточной энергии.

Возбуждение – переход одного электрона на другой уровень (орбиту).

Явление радиоактивности. Естественная и искусственная радиоактивность. Радиоизотопы

Радиоактивность – явление самопроизвольного излучения. Это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием радиоактивного излучения. Само явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния.

Естественная радиоактивность – это радиоактивные явления, происходящие в природе.

Искусственная радиоактивность – явление радиоактивности в искусственно полученных веществах через ядерные реакции.

Деление на естественную и искусственную радиоактивность условно, поскольку они подчиняются одним и тем же законам.

ГОУ Гимназия № 1505.

Реферат по физике на тему:

«Естественная и искусственная радиоактивность»

(адаптированный текст)

Ученицы 10 «Б» класса

Кравцовой Галины.

Руководитель:

Дмитриев Геннадий Владимирович.

2009 год, Москва.

Введение.

Часть 1.История открытия радиоактивности.

Часть 2. Физика ядра.

Глава 1 .

Строение атомного ядра.

Ядерные силы.

Энергия связи ядра.

Изотопы.

Глава 2.

Закон радиоактивного распада.

Виды радиоактивных излучений и распадов.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность.

Ядерное оружие.

Ядерный реактор.

Часть 3. Воздействие малых доз радиации на живой организм.

Часть 4. Методы регистрации частиц.

Газоразрядный счетчик.

Счетчик Гейгера - Мюллера.

Пузырьковая камера.

Камера Вильсона.

Дозиметр и радиометр.

Заключение.

Список используемой литературы.

Введение.

Тема моей работы - измерение радиоактивного фонового излучения на территории гимназии. Я, конечно, сомневаюсь, что мы занимаемся в помещениях, в которых радиоактивный фон сильно превышает санитарные нормы. Но механизмы воздействия малых доз радиации на человеческий организм мало изучены. Это как с солнцем: свети оно чуть меньше - мы все замерзнем насмерть, а не будь хоть части озонового слоя - мы умрём от повышенного количества излучения. Слишком много, как и слишком мало - не к добру. Но где начинается много и заканчивается мало? Я не ставлю себе задачу проверить это. В мои цели входит более подробно познать материал, связанный с радиацией (которая делится на естественную и искусственную), с помощью радиометра измерить уровень радиации в разных диапазонах частот, составить таблицы и сравнить их результаты с санитарными нормами. Насколько я знаю, СНИПы – часто изменяемые нормы и сравнивать с ними результаты будет довольно сложно, но я хочу это сделать и постараюсь получить наиболее точные результаты сравнения. Я планирую составить несколько таблиц. Их количество зависит от того, насколько чувствительный радиометр я смогу достать и от того, хватит ли мне времени исследовать помещения гимназии с включенной и выключенной аппаратурой. Сам же реферат я представляю как текст, не сильно выходящий за рамки школьного курса и наиболее понятно, на мой взгляд, объясняющий основные вопросы темы.

Часть 1.

История открытия радиоактивности.

Французский физик А. Беккрель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория.

Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает (независимо от немецкого физика Г.Шмидта) явление радиоактивности у тория. Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность. Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. За 10 лет совместной работы они сделали очень многое для изучения этого явления. Это был беззаветный труд во имя науки – в плохо оборудованной лаборатории и при отсутствии необходимых средств. Пьер установил самопроизвольное выделение тепла солями радия. Этот препарат радия исследователи получили в 1902 году в количестве 0,1 гр. Для этого им потребовалось 45 месяцев напряженного туда и более 10000 химических операций обогащения и очистки. В 1903 году за открытие в области радиоактивности супругам Кюри и А.Беккерелю была присуждена Нобелевская премия по физике. Всего за работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии (А.Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э.Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д.Хэвиши, О.Гану, Э.Макмиланн и Г.Сиборгу, У.Либби и др.). В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с порядковым номером 96 – кюрий.

В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, - модель так и называлась «модель сетки с изюмом» (Модель Томпсона).

В 1898 году английский ученый Э.Резерфорд (ученик Томпсона) приступил к изучению явления радиоактивности. В 1903 году Э.Резерфорд доказывает ошибочность предположения своего учителя Томпсона о его теории строении атома и в 1908-1911 г.г. проводит опыты по рассеянью частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил “пушку”, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Резерфорд заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озадачивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, чтобы окончательно исключить такую возможность.

В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия - материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами, сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу, но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.

Опыты по рассеянью частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – атомном ядре, диаметр которого примерно в 100000 раз меньше диаметра атома.

Большинство частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение частицы с ядром и тогда она может отскочить назад.

Таким образом, первым его фундаментальным открытием в этой области было обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном. Так в науку о радиоактивности впервые вошло понятие о лучах. Он также предложил и названия: распад и частица. Немного позже была обнаружена еще одна составляющая часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: гамма-лучи. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности. На долгие годы эти частицы стали для Э.Резерфорда незаменимым инструментом исследований атомных ядер. В 1903 году он открывает новый радиоактивный элемент – самопроизвольный распад тория. В 1901-1903 годах он совместно с английским ученым Ф.Содди проводит исследования, которые привели к открытию естественного превращения элементов (например радия в радон) и разработке теории радиоактивного распада атомов.В 1903 году немецкий физик К.Фаянс и Ф.Содди независимо друг от друга сформулировали правило смещения, в котором описывается поведение ядра при альфа-распаде. Весной 1934 года в «Докладах Парижской академии наук» появилась статья под названием «Новый тип радиоактивности». Ее авторы Ирен Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что бор, магний, и алюминий, облученные альфа–частицами, становятся сами радиоактивными и при своем распаде испускают позитроны. Так была открыта искусственная радиоактивность. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа–частицами или нейтронами) образуется радиоактивные изотопы элементов, в природе не существующие. Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и, тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Так из общего числа известных ныне около 2000 радиоактивных изотопов около 300 – природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной радиацией нет принципиального различия.