3. Открытие радиоактивности

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц и излучения. Ядро изменяется без внешнего воздействия, например без нагревания или освещения вещества. Это определение помогает отличать ядерное превращение от химической реакции, при которой меняется взаимодействие атомов, но не их ядра.

Радиоактивное излучение — излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Оно может быть невидимым, поэтому само по себе наблюдение глазами не позволяет надёжно установить его наличие. Излучение обнаруживают по воздействию на вещества и приборы: например, оно вызывает почернение фотопластинки или регистрируется специальным детектором.

Альфа-, бета- и гамма-излучение — три вида излучения, выделенные по поведению радиоактивного излучения в электрическом и магнитном полях. Альфа- и бета-излучения отклоняются в противоположные стороны, а гамма-излучение не отклоняется электрическим полем. Такое разделение позволяет определить заряд составляющих пучка и сравнивать их свойства.

Как это устроено

В 1896 году Анри Беккерель изучал соли урана и их связь с флуоресценцией — свечением некоторых веществ после освещения. Он положил соли рядом с фотопластинкой, обёрнутой непрозрачным материалом, чтобы исключить попадание света. Пластинка почернела, хотя её не освещали; значит, действие вызвало не видимое свечение и не свет, а проникающее излучение. Фотопластинка стала детектором: её изменение показало присутствие невидимого воздействия.

Сначала можно было предположить, что излучение появляется только после освещения соли, поэтому Беккерель проверил, обязательно ли для него предварительное воздействие света. Соли урана испускали излучение и без такого воздействия, то есть процесс происходил самопроизвольно. Затем выяснилось, что излучение связано не только с соединениями урана, но и с самим элементом ураном. Это указывало на источник внутри атомов урана, а не на особенность химической реакции или освещения.

Мария и Пьер Кюри продолжили исследование явления: они сравнивали вещества по способности испускать излучение и искали его источник. В результате супруги обнаружили новые радиоактивные элементы, в том числе полоний и радий. Исследования показали, что радиоактивность присуща определённым атомам и связана с их внутренним строением. Мария Кюри предложила термин «радиоактивность», которым стали называть это явление.

Чтобы выяснить, из чего состоит излучение, его пропускали через электрическое поле. Узкий пучок разделялся на две составляющие, отклонявшиеся в противоположные стороны, и одну, которая продолжала идти прямо. Причина разделения — действие поля на электрические заряды: положительно и отрицательно заряженные частицы испытывают силы в противоположных направлениях, а нейтральная составляющая не отклоняется. Разделившиеся части стали называть альфа-, бета- и гамма-излучением.

Направление отклонения позволяет установить знак заряда: альфа-частицы положительны, а бета-частицы отрицательны. Гамма-излучение не имеет электрического заряда, поэтому электрическое поле не меняет направление его распространения. Бета-частицы отклоняются обычно сильнее альфа-частиц, поскольку их масса значительно меньше и отношение заряда к массе больше. Так опыт в поле помог не только различить три вида излучения, но и сделать выводы об их природе.

Виды радиоактивного излучения и их свойства

Сравнивайте виды излучения по нескольким свойствам сразу: заряд объясняет отклонение, а проникающая способность показывает, насколько легко излучение задержать. В таблице указаны типичные преграды, но степень защиты зависит от толщины и свойств материала. Для ответа о составляющей пучка сначала смотрите на направление отклонения, а затем уточняйте её проникающую способность.

Разбор задач

Задача 1

В опыте Беккереля фотопластинка почернела после хранения рядом с солью урана в темноте. Нужно определить, какой вывод можно сделать из наблюдения. Свет не мог непосредственно попасть на пластинку, потому что она была защищена от него. Поэтому следует искать другое воздействие, связанное с солью урана.

1. Устанавливаем, что фотопластинка изменилась не под действием обычного освещения: опыт проходил в темноте, а пластинка была закрыта.
2. Связываем почернение с невидимым излучением, которое испускала соль урана и которое проходило через обёртку.
3. Делаем вывод только о наличии излучения; одно это наблюдение ещё не описывает все его свойства и природу.

Ответ: соль урана испускает невидимое излучение, способное воздействовать на фотопластинку. Почернение подтвердило, что действие вызвал не свет.

Задача 2

Пучок радиоактивного излучения проходит через электрическое поле и разделяется на три составляющие. Требуется определить, какая из них является альфа-, бета- и гамма-излучением. Направления отклонения показывают знаки зарядов, а прямолинейный путь — отсутствие заряда. Для различения альфа- и бета-составляющих нужно учитывать, что их отклонения противоположны.

1. Находим составляющую, которая не отклонилась: это гамма-излучение, поскольку электрическое поле не меняет направление нейтральной составляющей.
2. Среди двух отклонённых пучков выделяем тот, который отклоняется в сторону, соответствующую положительному заряду: это альфа-излучение.
3. Пучок, отклонившийся в противоположную сторону, соответствует отрицательно заряженным бета-частицам.

Ответ: неотклоняющаяся составляющая — гамма-излучение, две отклоняющиеся — альфа- и бета-излучение. Чтобы назначить им направления, нужно знать, в какую сторону в поле отклоняются положительные заряды.

Задача 3

В электрическом поле одна составляющая отклоняется слабо в одну сторону, другая — заметно сильнее в противоположную, а третья не отклоняется. Нужно определить виды излучения и объяснить различие в отклонениях. Сам факт отклонения говорит о наличии заряда, а противоположные направления — о разных знаках зарядов. Сила отклонения зависит также от отношения заряда к массе частицы.

1. Прямолинейно проходящую составляющую считаем гамма-излучением: у него нет электрического заряда.
2. Среди отклонённых составляющих слабее отклоняющуюся относим к альфа-излучению, а сильнее отклоняющуюся — к бета-излучению. Их знаки зарядов противоположны.
3. Объясняем разницу: бета-частицы намного легче альфа-частиц, поэтому отношение заряда к массе у них больше и в том же поле они отклоняются сильнее.

Ответ: слабое отклонение соответствует альфа-излучению, сильное — бета-излучению, отсутствие отклонения — гамма-излучению. Альфа- и бета-частицы имеют противоположные заряды, а масса бета-частиц намного меньше.

Типичные ошибки

Считать радиоактивность свечением вещества. Так думают, потому что слово «излучение» часто связывают с видимым светом. Однако радиоактивность может быть невидимой: её устанавливают по действию на фотопластинку или прибор. Проверка простая: спросите себя, был ли непосредственным признаком явления свет или изменение детектора.

Называть радиоактивность химической реакцией. Путаница возникает из-за того, что радиоактивные вещества называют веществами и рассматривают их соединения. Но при радиоактивности самопроизвольно меняется ядро атома, а не только химические связи между атомами. Проверьте объяснение: если оно не упоминает превращение ядра, это не определение радиоактивности.

Путать направления отклонения альфа- и бета-излучения. Обычно запоминают, что оба вида отклоняются, и упускают направление. Заряды у альфа- и бета-частиц противоположны, поэтому поле действует на них в противоположные стороны. Для самопроверки сначала установите знаки зарядов, а потом укажите направление отклонения.

Считать гамма-излучение заряженными частицами. Его включают в один ряд с альфа- и бета-излучением и ошибочно переносят на него их свойства. Гамма-излучение электрического заряда не имеет и потому не отклоняется электрическим полем. Проверочный вопрос: изменит ли поле направление нейтральной составляющей? Нет.

Связь с другими темами

Для понимания радиоактивности нужны знания о строении атома, атомном ядре и электрическом заряде: без них нельзя объяснить, что превращается и почему частицы отклоняются в поле. Позже эти представления пригодятся при изучении строения ядра, ядерных превращений и законов радиоактивного распада. Сравнение проникающей способности излучений связывает тему с применением радиоактивных источников и способами защиты от ионизирующего излучения.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Беккерель обнаружил радиоактивное излучение по действию солей урана на фотопластинку.
• Альфа-, бета- и гамма-излучение различают по поведению в электрическом поле.
• Альфа- и бета-излучение отклоняются в противоположные стороны.
• Гамма-излучение не имеет электрического заряда и не отклоняется электрическим полем.
• Радиоактивное излучение нельзя обнаружить только зрением: для этого используют его воздействие на вещества и приборы.