Типы радиоактивных излучений. Природа излучения, испускаемого радиоактивными элементами, может быть выяснена, если поместить радиоактивный образец в постоянное магнитное поле, что дает возможность выяснить, несет ли испускаемое излучение электрический заряд определенного знака (положительно и отрицательно заряженные частицы отклоняются в разные стороны в магнитном поле). Далее можно исследовать проникающую способность радиоактивного излучения, ставя на его пути экраны из разных веществ и разной толщины.
Было выяснено, что существуют три типа радиоактивного излучения, получивших название альфа-, бета- и гамма-радиоактивности .
Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц и обладают наименьшей проникающей способностью (они полностью поглощаются поставленным на их пути листком бумаги). Бета-лучи сильно отклоняются в противоположную альфа-лучам сторону, т.е. их заряд отрицателен. При этом пучок бета-лучей расширяется при отклонении, что свидетельствует о разных скоростях частиц в пучке. Проникающая способность бета-лучей много больше, чем у альфа-лучей. Наконец, гамма-лучи не несут заряда (они не отклоняются магнитным полем) и обладают очень большой проникающей способностью.
В результате серии экспериментов была выяснена природа этих лучей.
1. Было показано, что гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение короткой длины волны (более короткой, чем рентгеновское излучение). Наблюдения дифракции гамма-излучения на кристаллах, аналогичное дифракции рентгеновских лучей, полностью убедили физиков в том, что это электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10 −8 −10 −11 м.
2. Стандартными методами было изучено отклонение бета-лучей в магнитном и электрическом полях и измерено отношение заряда этих частиц к их массе e/m . Бета-лучи оказались потоками электронов самых разных энергий.
3. Э. Резерфорд измерил отношение e/m для альфа-лучей, оказавшееся вдвое меньше, чем для иона атома водорода. Это означало, что масса, приходящаяся на один элементарный заряд, у альфа-частиц вдвое больше, чем у иона Н + . Далее Резерфорд убедился в отдельном эксперименте, что заряд альфа-частиц равен удвоенному элементарному заряду. Отсюда следовало, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы иона водорода, т.е. альфа-частицы представляют дважды ионизованные атомы гелия Не ++ (к тому времени атомное ядро еще не было открыто, так что говорили об ионах атомов).
Закон радиоактивного распада. Главное свойство радиоактивного вещества — способность к спонтанному распаду. Это означает, что ядра вещества распадаются по случайному, статистическому закону. Важно понять, что невозможно точно определить, сколько времени проживет отдельное ядро, прежде чем оно распадется. Вопрос о времени жизни радиоактивного вещества может быть корректно поставлен только в том случае, когда рассматривается большой коллектив одинаковых ядер и говорится о вероятности распада определенного количества ядер за какое-то время. Представьте два ядра одного и того же радиоактивного элемента. Одно ядро было создано внутри звезды 5 миллиардов лет тому назад, другое — в ядерной реакции в земной лаборатории 5 минут назад. Вероятность распада в течение следующей минуты одинакова для обоих ядер, независимо от того, когда они были созданы. Это главное свойство статистического закона радиоактивного распада иногда формулируют в виде утверждения, что радиоактивные ядра не стареют .
Пусть имеется N радиоактивных ядер. Количество распавшихся за время dt ядер обозначим dN . Тогда относительное уменьшение числа ядер dN/N должно быть пропорционально интервалу времени dt (в этом и заключается статистический характер распада, независимость вероятности распада от времени):
Знак минус в этом выражении соответствует уменьшению числа ядер при распаде, константа l характеризует конкретное радиоактивное вещество и называется постоянной распада. Написанное уравнение можно легко проинтегрировать. В результате
Здесь N 0 — число распадающихся ядер в начальный момент времени.
Из полученного закона радиоактивного распада видно, что чем больше постоянная распада, тем быстрее происходит распад. Величина t = 1/ l носит название времени жизни данного радиоактивного ядра . Найдем время, за которое распадается половина первоначально имевшихся ядер. Это время называется периодом полураспада Т 1/2 . Подставляя N 0 /N = 2 и беря натуральный логарифм от обеих частей равенства, находим: ln 2 = l T 1/2 , откуда
Чем больше постоянная распада l , тем меньше период полураспада.
Биологическое действие радиоактивных излучений. Радиоактивные излучения губительным образом действуют на живые клетки. Степень поражения живого организма зависит от поглощенной дозы излучения, равной отношению поглощенной энергии излучения E к массе облученного тела m :
Размерность поглощенной дозы: [D] = Гр (грей) = 1 Дж/кг .
Предельно допустимая за год доза для человека равна 0,05 Гр. Доза в 3-10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.
«Физика — 11 класс»
Открытие радиоактивности
Открытие радиоактивности — явления, доказывающего сложный состав атомного ядра, — произошло благодаря счастливой случайности. Рентгеновские лучи впервые были получены при столкновениях быстрых электронов со стеклянной стенкой разрядной трубки. Одновременно наблюдалось свечение стенок трубки. Беккерель долгое время исследовал подобное явление — свечение веществ, облученных солнечным светом. К таким веществам относятся, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал ученый.
И вот у него возник вопрос: не появляются ли после облучения солей урана наряду с видимым светом и рентгеновские лучи? Беккерель завернул фотопластинку в плотную черную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет. После проявления фотопластинка почернела на тех участках, где лежала соль. Следовательно, уран создавал какое-то излучение, которое, подобно рентгеновскому, пронизывает непрозрачные тела и действует на фотопластинку. Беккерель думал, что это излучение возникает под влиянием солнечных лучей.
Но однажды, в феврале 1896 г., провести очередной опыт ему не удалось из-за облачной погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на нее сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай фотопластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчетливой тени креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний, создают какое-то излучение.
Вскоре Беккерель обнаружил, что излучение урановых солей ионизирует воздух, подобно рентгеновским лучам, и разряжает электроскоп. Испробовав различные химические соединения урана, он установил очень важный факт: интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Следовательно, это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу урану, его атомам.
Естественно было попытаться обнаружить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химические элементы, кроме урана. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри во Франции и другие ученые открыли излучение тория. В дальнейшем главные усилия в поисках новых элементов были предприняты Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволило им выделить новый, неизвестный ранее химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши.
Наконец, был открыт еще один элемент, дающий очень интенсивное излучение. Его назвали радием (т. е. лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.
Радий имеет относительную атомную массу, равную 226, и занимает в таблице Д. И. Менделеева клетку под номером 88. До открытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свойствам радий принадлежит к щелочно-земельным элементам.
Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Радиоактивностью называется способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс превращения сопровождается испусканием различных частиц.
Альфа-, бета- и гамма-излучения
После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, этим занялся Резерфорд.
Опыт Резерфорда, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме.
В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая совсем не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный — бета-лучей и нейтральный — гамма-лучей (α-лучи, β-лучи, γ-лучи).
Эти три вида излучения очень сильно различаются по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают а-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего а-излучению.
Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество β-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи.
Интенсивность поглощения γ-лучей усиливается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении у-лучей через такой слой свинца их интенсивность ослабевает лишь вдвое.
Физическая природа α-, β- и γ-лучей, очевидно, различна.
Гамма-лучи
По своим свойствам γ-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводило на мысль, что γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах и измерена их длина волны. Она оказалась очень малой — от 10 −8 до 10 −11 см.
На шкале электромагнитных волн γ-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения у γ-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — около 300 000 км/с.
Бета-лучи
С самого начала α- и β-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с β-лучами, так как они сильнее отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле.
Основная задача экспериментаторов состояла в определении заряда и массы частиц. При исследовании отклонения β-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости β-частиц, испущенных каким-либо радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями. Это и приводит к расширению пучка β-частиц в магнитном поле.
Альфа-частицы
Труднее было выяснить природу α-частиц, так как они слабее отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда частицы к ее массе по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы. Следовательно, у α-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.
Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы атома углерода; 1 а. е. м. ≈ 1,66057 • 10 −27 кг.
Но заряд α-частицы и ее масса оставались, тем не менее, неизвестными. Следовало измерить либо заряд, либо массу α-частицы. С появлением счетчика Гейгера стало возможным проще и точнее измерить заряд. Сквозь очень тонкое окошко α-частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им.
Резерфорд поместил на пути α-частиц счетчик Гейгера, который измерял число частиц, испускавшихся радиоактивным препаратом за определенное время. Затем он поставил на место счетчика металлический цилиндр, соединенный с чувствительным электрометром. Электрометром Резерфорд измерял заряд α-частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время (радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем). Зная суммарный заряд α-частиц и их число, Резерфорд определил отношение этих величин, т. е. заряд одной α-частицы. Этот заряд оказался равным двум элементарным.
Таким образом, он установил, что у α-частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что α-частица — это ядро атома гелия.
Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном а-распаде образуется именно гелий. Собирая α-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия).
Итак, при радиоактивном распаде возникают α-лучи (ядра атома гелия), β-лучи (электроны) и γ-лучи (коротковолновое электромагнитное излучение).
Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин
Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика
2. Какой формулой определяется закон радиоактивного распада?
А. N = N0 ∙2 t ; Б. N = N0 ∙2 t ;
В. N = N 0∙2 T; Г. N = N 0∙2 T;
3. В атомном ядре число нейтронов превышает число протонов на величину равную 42. Определите атомный номер элемента, если массовое число ядра 210.
4. Определите, какой элемент образуется после α- распада ядра 238U.
5. Напишите недостающие обозначения в следующих реакциях: … + 1Н → 22Na + 4He ;
6. Найдите энергию связи приходящуюся на один нуклон в ядре изотопа азота 14N .
7. Найдите энергетический выход ядерных реакций:
7Li + 4He → 10B + n ;
8. Имелось некоторое количество радиоактивного изотопа серебра. Во сколько раз уменьшится масса радиоактивного серебра за промежуток времени 810 суток, если период полураспада 270 суток?
9. Какова электрическая мощность атомной электростанции, расходующей в сутки 220 г изотопа урана 235U.