В 1896 г. А. Беккерель обнаружил с помощью фотопластинки, что одна из солей урана является источником излучения, природа которого была неясна. Беккерель установил, что открытое им излучение испускается всеми соединениями урана и самим металлическим ураном, т. е. что источником излучения являются атомы урана.
Оказывается, излучение урана происходит непрерывно и никакие внешние воздействия (температура, давление и т. д.) не оказывают на него влияния, т. е. атомы урана излучают самопроизвольно (спонтанно). Излучение урана было названо радиоактивным, а само явление — радиоактивностью.
Исследования Беккереля, Резерфорда, Пьера Кюри, Марии Склодовской-Кюри и других ученых показали, что ради активное излучение имеет сложный состав и в магнитном поле разделяется на лучи трех видов, которые назвали α-, β- и γ-лучами (рис. 37.5, магнитное поле направлено на читателя).
Оказалось, что α-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц (α-частиц); β-лучи — поток быстро летящих электронов (β-частиц); γ-лучи, не отклоняющиеся в магнитном поле, представляют собой очень короткие электромагнитные волны.
Радиоактивное излучение было обнаружено и у некоторых других тяжелых элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. В 1898 г М. Кюри и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и в этом же году открыли два новых химических элемента, содержащиеся в урановых рудах и оказавшиеся также радиоактивными. Один из них, радиоактивность которого примерно в миллион раз сильнее радиоактивности урана, был назван радием, а другой — полонием. В 1908 г. Резерфорд с помощью спектрального анализа обнаружил радиоактивный газ — радон.
Открытие радиоактивности поставило перед физиками вопрос: как возникает радиоактивное излучение? Особенно загадочной казалась его спонтанность. В 1903 г. Резерфорд и Содди высказали гипотезу о том, что радиоактивное излучение образуется при самопроизвольном распаде атомов. По этой гипотезе атомы радиоактивных элементов, в отличие от атомов обычных элементов, неустойчивы и время от времени то один, то другой атом самопроизвольно распадается. Дальнейшие исследования подтвердили правильность этой гипотезы.
Когда была установлена структура атомов, стало ясно, что радиоактивное излучение возникает при распаде ядер атомов радиоактивных элементов, поскольку положительно заряженные а-частицы могут выбрасываться только из ядер. В дальнейшем выяснилось, что и β-частицы образуются тоже при, распаде ядер.
Природа α-частиц была окончательно установлена в 1908 г. Результаты многих экспериментов показали, что α-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия, т. е. ядра гелия. Под руководством Резерфорда был выполнен прямой опыт: α-частицы в течение нескольких дней впускались в откачанный сосуд сквозь очень тонкое окошко, и спектральный анализ показал присутствие в сосуде гелия.
Если некоторое количество радона поместить в запаянную ампулу, то интенсивность его радиоактивного излучения со временем уменьшается. Это объясняется тем, что по мере распада атомных ядер радона нераспавшихся ядер остается все меньше, т. е. количество радиоактивного вещества, оставшегося в ампуле, уменьшается. Очевидно, что чем быстрее происходит распад ядер, тем быстрее должна падать интенсивность излучения. Различные радиоактивные элементы отличаются скоростью их распада. Кроме того, некоторые элементы имеют несколько радиоактивных изотопов с различной скоростью распада.
Величина, характеризующая быстроту распада радиоактивного изотопа, называется периодом полураспада и обозначается буквой Т. Период полураспада измеряется временем, в течение которого число атомов радиоактивного изотопа уменьшается наполовину. Период полураспада радия, например, равен 1620 годам. Значит, если взять какое-то количество радия, например, 1 г, то через 1620 лет от него останется половина (0,5 г), через 3240 лет — четверть (0,25 г) и т. д.
Период полураспада урана измеряется миллиардами лет, в то время как у радона он составляет 3,82 дня. Ядра некоторых радиоактивных элементов настолько неустойчивы, что их период полураспада измеряется микросекундами.