48. Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер. Нестабильное ядро меняется без внешнего воздействия, а его превращение может сопровождаться испусканием частиц или излучения. Это понятие помогает отличить ядерные процессы от обычных изменений состояния вещества.

Радиоактивное излучение — излучение, испускаемое при радиоактивном превращении; оно может состоять из частиц или быть электромагнитным. По его свойствам определяют, что именно испускает источник. Это нужно, чтобы выбрать способ наблюдения за излучением и защиту от него.

Альфа-излучение — поток альфа-частиц, каждая из которых представляет собой ядро атома гелия. В таком ядре есть протоны и нейтроны, поэтому альфа-частица несёт положительный заряд. Понимание её природы позволяет объяснить отклонение в электрическом поле и небольшую проникающую способность.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, испускаемых при радиоактивном превращении. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому ведут себя в поле иначе, чем положительно заряженные альфа-частицы. Это определение помогает распознавать вид излучения по его отклонению и действию на вещества.

Как это устроено

Радиоактивное превращение происходит внутри ядра, потому что именно его состояние определяет устойчивость атома. Если ядро нестабильно, оно может самопроизвольно измениться и испустить частицу или излучение. Электронная оболочка при этом не является причиной превращения: перестановка электронов не меняет состав ядра.

Чтобы исследовать излучение, его направляют в узкий пучок, а затем пропускают через электрическое или магнитное поле. Заряженные частицы испытывают действие поля, и направление их движения меняется; частицы с противоположными зарядами отклоняются в разные стороны. Гамма-излучение не имеет электрического заряда, поэтому в таком опыте не отклоняется.

Причина различий между тремя видами излучения — их природа. Альфа-частица является массивным положительно заряженным ядром гелия, бета-частица — лёгким отрицательно заряженным электроном, а гамма-излучение — электромагнитной волной. Масса и заряд влияют на поведение частиц в полях, а отсутствие заряда объясняет, почему гамма-излучение не отклоняется.

Излучение по-разному проходит через вещества, потому что по-разному взаимодействует с их атомами. Альфа-частицы сравнительно легко задерживаются листом бумаги или верхним слоем кожи, бета-частицы проходят дальше, но ослабляются тонким слоем металла. Гамма-излучение проникает лучше остальных, поэтому для его заметного ослабления применяют толстые слои свинца или бетона.

Само излучение часто нельзя увидеть, поэтому его обнаруживают по воздействию на вещество. Например, заряженные частицы могут ионизировать воздух, то есть превращать его нейтральные молекулы в заряженные частицы. По тому, как излучение действует на вещество и проходит через экраны, выбирают подходящий способ регистрации и меры защиты.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Чтобы определить вид излучения, сначала сравните его природу и заряд, а затем — поведение в поле. Для выбора экрана используйте строку о проникающей способности: более проникающее излучение требует более плотной или толстой преграды. Экраны ослабляют излучение в разной степени, поэтому не следует считать, что любая преграда полностью его остановит.

Разбор задач

Определяем излучение по отклонению в поле

В электрическом поле один пучок отклоняется к положительной пластине, другой — к отрицательной, а третий не отклоняется. Нужно определить виды излучения. Сравним направления отклонения с зарядами частиц и проверим, какой вид излучения не несёт заряда.

1. К положительной пластине притягиваются отрицательно заряженные частицы, поэтому первый пучок состоит из электронов.
2. Пучок электронов — это бета-излучение; частицы второго пучка отклоняются к отрицательной пластине, значит, они имеют положительный заряд.
3. Положительно заряженные альфа-частицы соответствуют второму пучку, а не отклоняющийся пучок является гамма-излучением, поскольку гамма-волны не имеют заряда.

Ответ: к положительной пластине отклоняется бета-излучение, к отрицательной — альфа-излучение, а не отклоняется гамма-излучение. Проверка проста: альфа- и бета-пучки должны отклоняться в противоположные стороны.

Подбираем экран

Нужно выбрать бумагу, тонкую металлическую пластину или толстый слой свинца, чтобы задержать альфа-, бета- и гамма-излучение. В условии речь идёт о разных материалах, значит, нельзя назначить один экран для всех трёх видов. Сопоставим каждый вид излучения с его проникающей способностью.

1. Альфа-частицы проходят через воздух лишь на небольшое расстояние и задерживаются листом бумаги, поэтому для них выбираем бумагу.
2. Бета-частицы проникают дальше, но их ослабляет тонкий слой металла, поэтому для них подходит металлическая пластина.
3. Гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью, поэтому для его заметного ослабления выбираем толстый слой свинца.

Ответ: бумага — для альфа-излучения, тонкая металлическая пластина — для бета-излучения, толстый слой свинца — для гамма-излучения. Подбор основан на том, насколько глубоко каждый вид излучения проходит сквозь вещество.

Распознаём излучение по экрану

Источник испускает излучение, которое проходит через бумагу, но заметно ослабляется тонкой алюминиевой пластиной. Нужно определить наиболее вероятный вид излучения. Начнём с того, какие виды можно исключить по результату проверки экрана.

1. Альфа-частицы задерживаются бумагой, а наблюдаемое излучение проходит через неё, поэтому это не альфа-излучение.
2. Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью и для заметного ослабления требует толстого слоя свинца или бетона; тонкая пластина не является для него характерным экраном.
3. Бета-частицы проходят через бумагу, но ослабляются тонким слоем металла, в том числе алюминия, поэтому полученные наблюдения соответствуют бета-излучению.

Ответ: наиболее вероятно, источник испускает бета-излучение. Вывод сделан не по одному признаку, а после исключения альфа- и гамма-излучения по их проникающей способности.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что радиоактивность связана с переходами электронов между оболочками. Её допускают, потому что атом часто представляют как единое целое и смешивают процессы в оболочке с процессами в ядре. Проверьте себя вопросом: меняется ли состав ядра при радиоактивном превращении? Если да, речь идёт о ядерном процессе.

Ошибка — путать знаки зарядов альфа- и бета-частиц. Альфа-частица является ядром гелия и заряжена положительно, а бета-частица в этой теме — электрон с отрицательным зарядом. Чтобы проверить ответ, вспомните состав частиц и сравните, в какую сторону они отклонятся в одном и том же поле.

Ошибка — считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. Такое представление возникает из-за того, что все виды излучения испускаются радиоактивным источником, но гамма-излучение имеет электромагнитную природу. Проверка: заряженная частица отклоняется в электрическом поле, а гамма-излучение — нет.

Ошибка — полагать, что любой экран полностью останавливает любое излучение. Бумага, металл, свинец и бетон по-разному взаимодействуют с альфа-, бета- и гамма-излучением, причём гамма-излучение особенно проникающее. Проверяйте, совпадает ли выбранный материал с видом излучения и учитывайте, что экран может ослабить поток, но не обязательно прекратить его полностью.

Связь с другими темами

Чтобы изучать радиоактивность, нужно знать строение атома и ядра, а также различать протоны, нейтроны и электроны. Знание электрического заряда и действия электрического и магнитного полей позволяет объяснить, почему альфа- и бета-частицы отклоняются в противоположные стороны. Эти представления понадобятся при изучении ядерных превращений и того, как излучение действует на живые организмы. Они также помогают понять, почему для радиационной защиты подбирают разные материалы и толщину экранов.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — положительно заряженное ядро гелия.
• Бета-излучение в школьных опытах с радиоактивными веществами — поток быстрых электронов.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение без электрического заряда.
• Альфа-, бета- и гамма-излучение различаются природой и проникающей способностью.
• Чем выше проникающая способность излучения, тем более толстый или плотный экран нужен для его ослабления.