В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель, исследуя флуоресценцию и фосфоресценцию некоторых веществ, случайно обнаружил новое явление. Он обернул кристаллы уранилсульфата в черную бумагу и положил их на фотопластинку, не подвергая воздействию солнечного света. К его удивлению, пластинка всё равно засветилась. Это означало, что уран излучает невидимые лучи, способные проходить сквозь бумагу и воздействовать на фотоматериалы. Явление оказалось независимым от внешних условий, что говорило о спонтанности испускания — природе, не связанной с флуоресценцией.
Это открытие положило начало новой ветви физики — изучению радиоактивности, т.е. способности некоторых ядер самопроизвольно испускать энергию в виде частиц и излучения.
Мари Склодовская-Кюри и её муж Пьер Кюри, заинтригованные результатами Беккереля, начали систематическое исследование радиоактивности урановых минералов. В 1898 году они объявили об открытии двух новых радиоактивных элементов — полония и радия. Это было достигнуто путём переработки нескольких тонн урановой смоляной руды (пекбленды). Кюри установили, что радиоактивность — атомное свойство вещества, не связанное с его химическим состоянием.
Работы Кюри стали первым примером ядерной химии, предвосхитившей появление ядерной физики как отдельной науки.
Кюри заметили, что радиоактивность не исчезает ни при изменении агрегатного состояния вещества, ни при воздействии на него кислотами или щелочами. Это показало, что источник излучения кроется в самом атоме, а не в его электронных оболочках. Таким образом, была подорвана представление об атоме как неделимом элементе материи, что стало важным шагом к появлению ядерной модели атома.
Английский физик Эрнест Резерфорд продолжил изучение радиоактивного излучения и установил, что оно не является однородным. В 1899 году он выделил два типа лучей — альфа и бета:
Позже, в 1900 году, немецкий физик Пауль Виллард открыл гамма-излучение — электромагнитные волны с чрезвычайно высокой проникающей способностью.
Эти открытия сформировали основу для радиационной спектроскопии и позволили классифицировать излучения по их природе, энергетике и взаимодействию с веществом.
В начале XX века Резерфорд и Содди пришли к выводу, что радиоактивность — это результат самопроизвольного распада атомных ядер. Они сформулировали закон радиоактивного распада, который гласит, что число радиоактивных ядер уменьшается со временем по экспоненциальному закону:
N(t) = N0e−λt
где N0 — начальное количество ядер, λ — постоянная распада, t — время.
Из этого закона следует понятие периода полураспада (T1/2) — времени, за которое распадается половина исходных ядер:
$$ T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} $$
Этот закон стал важнейшим инструментом в количественном описании радиоактивных процессов, от хронологии геологических слоёв до ядерной медицины.
Радиоактивные элементы не всегда распадаются напрямую в стабильные ядра. Зачастую процесс включает цепочку превращений, называемую радиоактивным рядом. Пример — ряд урана-238:
238U → 234Th → … → 206Pb
Существуют четыре известных природных радиоактивных ряда:
Эти ряды демонстрируют сложность превращений внутри атомного ядра и дали важнейший материал для разработки моделей ядерных процессов.
Фредерик Содди, наблюдая различные радиоактивные элементы, пришёл к выводу, что вещества, обладающие одинаковыми химическими свойствами, могут отличаться по массе и радиоактивности. Это стало основой понятия изотопов — ядер с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Пример:
Открытие изотопизма было критическим для развития ядерной физики, так как дало понимание, что атомное ядро имеет сложную внутреннюю структуру, и именно она определяет его нестабильность и типы распадов.
В начале XX века для регистрации радиоактивности использовались следующие методы:
Эти методы позволили точно измерять активность веществ, анализировать энергетические спектры частиц и изучать закономерности радиоактивного распада.
Работы по радиоактивности радикально изменили представления о природе материи. Постепенно стало ясно, что:
Эти идеи подготовили почву для ядерной модели атома Резерфорда (1911) и в дальнейшем — для квантово-механических моделей и современного представления о строении материи.
Открытие радиоактивности не только революционизировало физику, но и стало основой для многочисленных практических приложений:
Тем самым, открытия конца XIX — начала XX века заложили прочный фундамент всей современной ядерной науки и техники.