3. Открытие радиоактивности

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Ядро при этом переходит в другое состояние или превращается в ядро другого элемента. Понятие нужно, чтобы описывать внутренние изменения атомов, происходящие без внешнего воздействия.

Радиоактивное излучение — излучение, возникающее при радиоактивном распаде и воздействующее на вещество и фотопластинку. Его нельзя увидеть глазом, но можно обнаружить по засветке фотоматериала или ионизации воздуха. Это позволяет исследовать излучение косвенными физическими эффектами.

Альфа-, бета- и гамма-излучение — три вида радиоактивного излучения, различающиеся природой, зарядом, проникающей способностью и отклонением в полях. Первые два вида связаны с потоками частиц, а гамма-излучение имеет электромагнитную природу. Такое разделение помогает сравнивать свойства компонентов одного радиоактивного источника.

Естественная радиоактивность — радиоактивность, наблюдаемая у некоторых природных веществ без внешнего воздействия. Для неё не нужны освещение, нагревание или предварительное возбуждение вещества. Термин подчёркивает, что источник излучения находится в самом атомном ядре.

Как это устроено

Анри Беккерель исследовал, может ли флуоресцирующее вещество действовать подобно источнику рентгеновского излучения. Он положил соли урана рядом с завёрнутой в светонепроницаемую бумагу фотопластинкой и обнаружил на ней потемнение. Причина состояла в том, что соли урана испускали невидимое излучение независимо от освещения.

Если бы засветка была вызвана отражённым светом, фотопластинка не изменилась бы в полной темноте и под непрозрачной оболочкой. Беккерель повторил опыт с образцами, которые не подвергались предварительному солнечному освещению, но результат сохранился. Значит, излучение не было остаточным светом и не зависело от люминесценции вещества.

Излучение урана проходило через непрозрачные материалы и влияло на фотопластинку, потому что обладало значительной проникающей способностью. Кроме того, оно ионизировало воздух: выбивало электроны из молекул и превращало их в заряженные частицы. Ионизация позволила обнаруживать излучение по проводимости воздуха, а не только по химическому действию на фотоматериал.

В электрическом поле пучок радиоактивного излучения разделяется, поскольку его части имеют разные заряды и массы. Положительно заряженная альфа-компонента отклоняется к отрицательной пластине, отрицательно заряженная бета-компонента — к положительной, а нейтральная гамма-компонента сохраняет направление. Магнитное поле также по-разному искривляет траектории движущихся заряженных частиц.

Беккерель установил сам факт радиоактивности, а Мария и Пьер Кюри продолжили поиск веществ с подобным свойством. Они обнаружили, что радиоактивность связана не только с ураном, и выделили полоний и радий. Эти результаты показали, что атом имеет сложное внутреннее строение и стал основой для развития физики атомного ядра.

Свойства альфа-, бета- и гамма-излучения

Сначала определите, о каком свойстве спрашивается: отклонении, проникновении или ионизации. Затем сопоставьте наблюдение с соответствующей строкой таблицы, не смешивая разные характеристики.

Например, отсутствие отклонения указывает на гамма-излучение, а задерживание бумагой — на альфа-излучение. Материал не поглощает излучение полностью во всех случаях: обычно говорят о его ослаблении или задерживании.

Разбор задач

Засветка фотопластинки

Условие. Фотопластинка лежала рядом с солями урана в темноте и оказалась засвеченной. Объясните причину явления.

1. Фотопластинка темнеет под действием излучения, а не только видимого света.
2. Соли урана находились в темноте, поэтому отражённый или рассеянный свет исключается.
3. Следовательно, потемнение вызвано невидимым излучением, которое соли урана испускали самопроизвольно.

Ответ. Пластинка засветилась из-за естественного радиоактивного излучения солей урана, а не из-за отражённого света.

Отклонение в электрическом поле

Условие. Определите, какие компоненты радиоактивного излучения отклоняются в электрическом поле и в какую сторону.

1. Альфа-частицы имеют положительный заряд, поэтому движутся в сторону отрицательной пластины.
2. Бета-частицы являются электронами и имеют отрицательный заряд, поэтому отклоняются к положительной пластине.
3. Гамма-кванты электрического заряда не имеют, поэтому направление их пучка не изменяется.

Ответ. Альфа- и бета-компоненты отклоняются в противоположные стороны, а гамма-компонента не отклоняется.

Прохождение через материалы

Условие. Излучение последовательно проверяют листом бумаги, металлической пластиной и толстым слоем свинца. Определите компоненты по способности проходить через преграды.

1. Если излучение задерживается бумагой, это альфа-компонента: её проникающая способность мала.
2. Если оно проходит через бумагу, но задерживается металлом, это бета-компонента.
3. Если пучок проходит через бумагу и металл, но ослабляется толстым свинцом, это гамма-компонента.

Ответ. Бумага задерживает альфа-излучение, металлическая пластина — бета-излучение, а толстый слой свинца сильнее всего ослабляет гамма-излучение.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что радиоактивность возникает только после освещения или нагревания вещества. Так думают из-за сходства первых опытов с исследованиями люминесценции, но естественный распад идёт самопроизвольно. Проверьте себя вопросом: прекратилось бы излучение, если убрать источник света?

Ошибка 2. Называть радиоактивным излучением только поток заряженных частиц. Это неверно, потому что гамма-излучение является электромагнитным и не имеет заряда. Уточняйте физическую природу каждого компонента.

Ошибка 3. Путать направления отклонения альфа- и бета-излучения. Причина ошибки — забытый знак заряда: альфа-частицы положительны, а бета-частицы отрицательны. Перед ответом мысленно поставьте их рядом с пластинами противоположных знаков.

Ошибка 4. Считать, что наибольшая проникающая способность означает наибольшую ионизацию. Эти свойства не совпадают: гамма-излучение проникает лучше, а альфа-излучение сильнее ионизирует. Сверяйте ответ с двумя разными строками таблицы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об атоме, атомном ядре, электрическом заряде и действии электрического и магнитного полей. Открытие радиоактивности подготавливает изучение строения ядра, радиоактивного распада и ядерных реакций. Позже понятия радиоактивности и проникающей способности понадобятся при изучении дозиметрии, радиационной защиты и применения ядерной энергии.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное излучение и превращение нестабильных атомных ядер.
• Радиоактивное излучение обнаруживается по засветке фотопластинки и ионизации воздуха.
• Естественная радиоактивность не требует предварительного освещения вещества.
• Радиоактивное излучение состоит из альфа-, бета- и гамма-компонентов.
• Альфа- и бета-излучение отклоняются в электрическом и магнитном полях, а гамма-излучение — нет.
• Проникающая способность гамма-излучения наибольшая, а ионизирующая способность альфа-излучения — наиболее выраженная.
• Открытие радиоактивности стало одним из оснований для развития физики атомного ядра.