1. Открытие радиоактивности

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием излучения. Нестабильное ядро изменяется без внешнего запуска, например без освещения или нагревания. Понятие нужно, чтобы описывать изменения, происходящие внутри атомного ядра.

Радиоактивное излучение — излучение, возникающее при радиоактивном превращении и способное ионизировать вещество. Ионизация — образование заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул. Это свойство позволяет обнаруживать излучение и объясняет его действие на вещество.

Альфа-излучение — поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, поэтому его заряд равен +2e, где e — элементарный заряд. Такое представление помогает предсказать направление отклонения альфа-частиц в электрическом поле.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, а гамма-излучение — электромагнитное излучение. Электроны имеют отрицательный заряд, тогда как гамма-кванты заряда не имеют. Различие природы важно для понимания того, почему эти излучения по-разному ведут себя в полях и проходят через вещество.

Как это устроено

В 1896 году Анри Беккерель изучал, могут ли фосфоресцирующие вещества засвечивать фотопластинку после освещения. Он завернул пластинку в светонепроницаемую бумагу и положил рядом соли урана; после проявления на ней обнаружилось потемнение. Свет не мог попасть на пластинку, поэтому Беккерель заключил, что соли испускают неизвестное излучение, которое проходит через бумагу и действует на фотоматериал.

Урановые соли продолжали засвечивать пластинку даже тогда, когда их заранее не освещали. Это показало, что излучение не было обычным послесвечением и не требовало предварительного внешнего воздействия. Его связали с самим ураном и назвали самопроизвольным: источник излучения находился внутри вещества, а не включался светом или нагреванием.

Мария и Пьер Кюри продолжили исследование урановых соединений и сравнивали, насколько сильно разные вещества ионизируют воздух. Они обнаружили, что радиоактивностью обладают также торий и некоторые другие вещества. Исследуя урановую руду, учёные выделили новые радиоактивные элементы — полоний и радий; это расширило представление о явлении, которое сначала связывали только с ураном.

Чтобы выяснить состав излучения, его направляли через электрическое или магнитное поле. Если пучок разделяется, значит, его части ведут себя по-разному: заряженные компоненты отклоняются в противоположные стороны, а нейтральный не отклоняется. Так обнаружили альфа- и бета-компоненты, а также гамма-компоненту, не меняющую направление в поле. Знаки отклонения позволили установить, что альфа-частицы положительны, а бета-частицы в опытах — отрицательны.

В поле альфа-частицы отклоняются слабее электронов: их заряд положителен, но масса намного больше. Бета-частицы из-за малой массы заметно меняют траекторию, а гамма-излучение не отклоняется, поскольку не имеет заряда. Однако степень отклонения сама по себе не показывает, насколько хорошо излучение проходит сквозь вещество: проникновение зависит от взаимодействия излучения с атомами. Альфа-частицы сильно ионизируют среду и быстро теряют энергию, а гамма-кванты взаимодействуют реже и проходят дальше.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Сначала определите физическую природу и заряд: это помогает понять, будет ли пучок отклоняться и в какую сторону. Затем сравните проникающую способность и ионизирующее действие, не смешивая эти свойства. Указанные преграды ослабляют излучение в разной степени, а не обязательно задерживают его полностью.

Разбор задач

Задача 1. Излучение сильно ионизирует вещество, слабо проникает сквозь преграды и отклоняется в поле в сторону положительно заряженной пластины. Определите его вид.

1. Сопоставим направление с зарядом: к положительной пластине движутся отрицательно заряженные частицы.
2. Среди основных видов радиоактивного излучения такой заряд имеют бета-частицы — быстрые электроны.
3. Проверим остальные признаки: бета-излучение ионизирует вещество, но не так сильно, как альфа-излучение, и проникает дальше альфа-частиц. Поэтому условие о слабом проникновении не вполне характерно для бета-излучения; решающими здесь должны быть согласованные свойства.

Ответ: признаки в условии противоречат друг другу. Направление указывает на бета-излучение, а сильная ионизация и слабое проникновение — на альфа-излучение, которое отклонялось бы к отрицательной пластине. По всем трём указанным признакам однозначно определить вид нельзя.

Задача 2. Пучок радиоактивного излучения проходит через электрическое поле: одна часть отклоняется к положительной пластине, другая — к отрицательной, а третья не отклоняется. Назовите виды излучения.

1. Часть, отклонённая к положительной пластине, имеет отрицательный заряд. Это бета-излучение, состоящее из быстрых электронов.
2. Часть, отклонённая к отрицательной пластине, заряжена положительно. Это альфа-излучение — поток ядер гелия.
3. Оставшаяся часть не отклоняется, потому что не имеет электрического заряда. Её относят к гамма-излучению.

Ответ: к положительной пластине отклоняется бета-излучение, к отрицательной — альфа-излучение, а без отклонения проходит гамма-излучение. Сторона отклонения определяет знак заряда, а отсутствие отклонения согласуется с нейтральной природой гамма-квантов.

Задача 3. Радиоактивный источник закрыли сначала листом бумаги, затем алюминиевой пластиной и толстым слоем свинца. Какая часть излучения задерживается каждой преградой и почему?

1. Бумага задерживает альфа-частицы: они сильно взаимодействуют с веществом и быстро теряют энергию.
2. Бета-частицы проходят через бумагу, но алюминиевая пластина заметно ослабляет их. Электроны легче альфа-частиц, однако при столкновениях с веществом тоже теряют энергию.
3. Гамма-кванты проходят через бумагу и алюминий значительно лучше заряженных частиц. Толстый слой свинца ослабляет их за счёт взаимодействий с веществом, хотя полное поглощение не гарантируется.

Ответ: бумага задерживает преимущественно альфа-компоненту, алюминий — бета-компоненту, а толстый свинцовый слой ослабляет гамма-компоненту. Вывод основан на различной проникающей способности излучений, а не на степени их отклонения в поле.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что радиоактивность появляется только после нагревания или освещения вещества. Так могут подумать из-за опыта Беккереля, в котором сначала изучались фосфоресцирующие вещества. Проверьте себя: радиоактивное превращение происходит самопроизвольно, и уран засвечивал фотопластинку без предварительного освещения.

Ошибка — отождествлять радиоактивность с одним видом излучения. Первые наблюдения были связаны с ураном, но это не означает, что его излучение имеет единственную составляющую. Проверка проста: в электрическом или магнитном поле пучок разделяется на отклоняющиеся в разные стороны и неотклоняемую части.

Ошибка — путать бета-излучение с гамма-излучением, считая оба потоком частиц одного типа. Бета-излучение состоит из заряженных электронов, а гамма-излучение — из электромагнитных волн без заряда. Чтобы проверить себя, выясните, отклоняется ли компонент в поле: бета-частицы отклоняются, гамма-кванты — нет.

Ошибка — выводить проникающую способность напрямую из степени отклонения в поле. Отклонение зависит от заряда и массы частицы, а проникновение — от того, как излучение взаимодействует с веществом. Для проверки разбирайте эти признаки отдельно: поле показывает поведение заряженных частиц, а преграда — способность излучения проходить сквозь материал.

Связь с другими темами

Чтобы понять отклонение излучения, нужно знать строение атома, различать заряды частиц и помнить, как электрическое и магнитное поля действуют на заряженные тела. Эти знания помогают связать наблюдаемое движение пучка с его физической природой.

Радиоактивность подготавливает к изучению атомного ядра, закона радиоактивного распада и ядерных превращений. Понимание того, что излучение возникает при изменениях ядра, становится основой для дальнейшего рассмотрения этих процессов.

Различия между видами излучения важны при изучении дозиметрии и радиационной безопасности: виды излучения по-разному проходят через вещество и воздействуют на него. Те же сведения помогают понять применение радиоактивных изотопов в науке и технике.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер.
• Открытие радиоактивности связано с обнаружением засвечивания фотопластинки солями урана.
• Альфа-излучение состоит из ядер гелия.
• Бета-излучение состоит из быстрых электронов.
• Гамма-излучение является электромагнитным излучением.
• Альфа-, бета- и гамма-излучение различаются зарядом, отклонением в полях, проникающей способностью и ионизирующим действием.