Кратко и по делу.
Почему разные скорости распада. Радиоактивный распад — статистический радиоактивный процесс с экспоненциальным законом:
$N(t)=N_0{e}^{-\lambda t}$,
активность $A=\lambda N$,
период полураспада $T_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda }$.
Разные изотопы имеют разные константы распада $\lambda$ потому, что вероятность распада определяется ядерной энергией и барьерами (для α‑распада — квантовый туннелинг через кулоновский барьер). Для α‑распада наблюдается эмпирический закон Гайгера–Наттала:
${\log }_{10}{T}_{1/2}=a\frac{Z}{\sqrt{E}}+b$,
что показывает силькую зависимость времени жизни от энергии испускаемой частицы $E$ и заряда $Z$. Поэтому один изотоп может распадаться за доли секунды, другой — за миллиарды лет (напр., ${}^{14}\mathrm{C}$: $T_{1/2}\approx 5730$ лет, ${}^{226}\mathrm{Ra}$: $T_{1/2}\approx 1600$ лет, ${}^{210}\mathrm{Po}$: $T_{1/2}\approx 138$ дней, ${}^{238}\mathrm{U}$: $T_{1/2}\approx 4.468\times 10^9$ лет, ${}^{235}\mathrm{U}$: $T_{1/2}\approx 7.04\times 10^8$ лет).
Открытие радиоактивности (конец XIX в.) — какие методы и наблюдения подтвердили её существование
- Открытие Беккерелем: в $1896$ году Антуан Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное чернение фотопластинок, прикрытых урановой солью — независимое от света излучение.
- Наблюдение Курie: в $1898$ Мария и Пьер Кюри химически выделили новые чрезвычайно «активные» вещества (полоний, радиум), показав, что активность связана с веществом и концентрируется при химическом разделении.
- Измерения и приборы: фотопластинки, ионизационные кюветы и электрометры (измеряли ионизацию воздуха), сцинтилляционные экраны (Резерфорд) — подтверждали спонтанное излучение и его проникающую способность.
- Разделение типов излучения: Резерфорд, Муайер и др. установили α, β, γ‑виды по пробегу и проникающей способности; Резерфорд и Содди (начало XX века) сформулировали теорию распада и трансмутацию элементов (атомные превращения).
- Визуализация треков: позднее камера Вильсона и сцинтилляция позволили наблюдать отдельные заряженные частицы.
- Ключевые наблюдения: спонтанность, независимость активности от химического состояния для многих изотопов (исключения — электронные захваты), постоянство экспоненциального закона при большом числе атомов, образование других элементов при распаде (трансмутация).
Последствия для физики, химии и энергетики
- Физика: возникновение ядерной физики и представления о ядре; подтверждение идеи о трансмутации элементов; стимул к развитию квантовой теории (туннелинг для объяснения α‑распада); идея связи массы и энергии $E=m{c}^2$ получила практическое значение при расчётах ядерной энергии.
- Химия: появление концепции изотопов (Содди) — одно и то же химическое поведение для разных ядерных свойств; развитие радиохимии как метода разделения и анализа; новые элементы (полоний, радиум).
- Прикладные последствия: радиометрическая датировка (углерод‑14, уран‑свинец и др.) для геологии, археологии; медицинские методы (радиофармацевтика, лучевая терапия); развитие ядерной энергетики и вооружений: ядерная fission и fusion дали энергию огромной плотности (по Эйнштейну $E=m{c}^2$) и привели к созданию реакторов и бомб.
- Социально‑технические и безопасность: появление радиационной защиты, норм дозирования, экологических и этических вопросов.
Краткий итог: разные скорости распада объясняются разными ядерными энергиями и вероятностями туннелирования (различными $\lambda$), что было подтверждено экспериментами конца XIX — начала XX века (Беккерель, Кюри, Резерфорд, Содди и др.). Это открытие коренным образом изменило физику, химию и дало как полезные технологии (датирование, медицина, энергия), так и серьёзные риски (радиация, ядерное оружие).