11 класс
§ 65. Естественная радиоактивность
Открытие естественной радиоактивности.
Явление естественной радиоактивности 1 было обнаружено французским учёным Анри Беккерелем (1852—1908). Долгое время он исследовал родственное явление — послесвечение (люминесценцию) веществ, предварительно подвергшихся облучению солнечным светом. К таким веществам принадлежат, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал Беккерель. У него возник вопрос: не появляются ли после облучения солей урана наряду с видимым светом и рентгеновские лучи?
1 Существует и искусственная радиоактивность — радиоактивность изотопов, полученных искусственно в ходе ядерных реакций.
Беккерель завернул фотопластинку в плотную чёрную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил па яркий солнечный свет. После проявления пластинка 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 неё сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени креста.
Это означало, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов 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 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 установить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химические элементы, кроме урана.
В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри (1867—1934) во Франции и другие учёные обнаружили излучение тория. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволило Склодовской-Кюри и Пьеру Кюри (1859—1906) выделить неизвестный ранее химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши. Позже был открыт ещё один элемент, дающий очень интенсивное излучение. Он был назван радием.
Явление испускания некоторыми веществами излучения, проникающего сквозь тела, назвали радиоактивностью, а вид излучения — радиоактивным.
Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером Z > 83 являются радиоактивными.
Состав радиоактивного излучения.
После открытия радиоактивных элементов началось интенсивное изучение их свойств. Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, был проведён Резерфордом и его сотрудниками в 1899 г.
Исследования физических явлений опытным путём
Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в толстостенном куске свинца. Напротив канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рис. 11.6).
Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно тёмное пятно точно против канала. В магнитном же поле пучок распадался на три пучка. При этом две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений зарядов противоположных знаков. При этом отрицательная компонента излучения отклонялась магнитным полем гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получила название альфа-лучей, отрицательно заряженная — бета-лучей и нейтральная — гамма-лучей (соответственно α-лучи, β-лучи, γ-лучи).
Эти три вида излучения сильно отличаются друг от друга по своей проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают α-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 α-лучам. В значительно меньшей степени поглощаются при прохождении через вещество β-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи. Слой свинца толщиной 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении через такую пластину интенсивность γ-лучей убывает лишь вдвое.
Физическая природа α-, β- и γ-лучей.
По своим свойствам γ-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, поэтому логично предположить, что γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах и измерена длина волны. Она оказалась очень малой — от 10-8 до 10-11 см. На шкале электромагнитных волн γ-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими.
Сначала α- и γ-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с β-лучами, так как они сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. При исследовании отклонения β-частиц в электрическом и магнитном полях было установлено, что они представляют собой электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости β-частиц, испущенных данным радиоактивным элементом, неодинаковы.
Труднее оказалось выяснить природу α-частиц, так как они слабо отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду и Гейгеру. Они измерили отношение заряда q частицы к её массе m по отклонению в электрическом и магнитном полях. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Для определения массы α-частицы нужно было измерить ещё её заряд. Это было сделано лишь после изобретения счётчика Гейгера.
C его помощью подсчитывалось число частиц, попадающих в единицу времени внутрь металлического цилиндра, соединённого с электрометром (рис. 11.7).
Сквозь очень тонкое окошко a-частицы могут проникать внутрь счётчика и регистрироваться им. Электрометр позволяет определить суммарный заряд α-частиц, испущенных за определённый интервал времени. Такого рода опыты показали, что заряд α-частицы равен удвоенному элементарному заряду. Следовательно, её масса в 4 раза превосходит массу атома водорода, т. е. равна массе атома гелия. Таким образом, α-частица оказалась ядром атома гелия 2.
2 В первое десятилетие XX в. атомное ядро ещё не было открыто. Поэтому Резерфорд говорил об ионе атома гелия.
Вопросы:
1. Как была обнаружена естественная радиоактивность?
2. Какими особенностями обладает радиоактивное излучение солей урана?
3. Какие новые химические элементы были открыты супругами Кюри?
4. Какое явление называют радиоактивностью?
5. Как был обнаружен сложный состав радиоактивного излучения?
6. Что представляют собой:
а) α-лучи;
б) β-лучи;
в) γ-лучи?
Вопросы для обсуждения:
Скорость α-частицы в среднем в 15 раз меньше скорости β-частицы. Почему α-частицы (жирный пунктирный трек на рис. 11.8) слабее отклоняются магнитным полем? Как направлен вектор индукции магнитного поля?
