§ 32. Естественная радиоактивность

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное испускание излучения ядрами некоторых природных веществ. Оно не вызывается освещением, нагреванием или другим внешним воздействием. Это определение помогает отличить радиоактивность от излучения, которое появляется только после действия источника энергии.

Радиоактивный распад — самопроизвольное превращение нестабильного атомного ядра, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. После распада образуется другое ядро или ядро в ином энергетическом состоянии. Понятие распада объясняет, откуда берётся радиоактивное излучение.

Альфа-излучение — поток ядер гелия. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, поэтому его заряд равен +2e, где e — элементарный заряд. Состав и заряд альфа-частицы позволяют предсказывать её отклонение в поле и небольшую проникающую способность.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, а гамма-излучение — электромагнитное излучение. Электрон имеет заряд −e, тогда как гамма-излучение заряда не имеет. Такое различие нужно, чтобы понять, почему бета-частицы отклоняются, а гамма-лучи — нет.

Как это устроено

Открытие Беккереля показало, что соединения урана действуют на чувствительные материалы даже тогда, когда их не освещают. Он обнаружил проникающее излучение без предварительного воздействия света или другой причины извне. Значит, источник излучения находится внутри самого вещества, а не появляется из-за освещения.

Радиоактивность связана с неустойчивостью атомного ядра. В таком ядре внутреннее взаимодействие частиц не обеспечивает устойчивое состояние, поэтому ядро самопроизвольно перестраивается. При этом часть энергии уносится частицей или электромагнитным излучением, а исходный атом превращается в другой.

Разделить излучение на виды можно по его поведению в электрическом и магнитном полях, а также по способности проходить через вещества. Альфа-пучок состоит из тяжёлых положительных ядер гелия, бета-пучок — из лёгких отрицательных электронов, гамма-пучок — из нейтральных электромагнитных волн. Поэтому у этих трёх видов разные направления отклонения, величина отклонения и проникающая способность.

Заряженная частица испытывает действие электрического поля, а движущаяся заряженная частица — и магнитного поля. Альфа- и бета-пучки отклоняются в противоположные стороны, потому что их заряды имеют разные знаки. Бета-частицы отклоняются сильнее: при меньшей массе их движение заметнее меняется под действием поля, тогда как тяжёлые альфа-частицы отклоняются слабее; гамма-излучение не отклоняется из-за отсутствия заряда.

Проникающая и ионизирующая способности описывают разные свойства. Альфа-частицы сильнее ионизируют вещество, то есть выбивают электроны из атомов, но быстро теряют энергию и задерживаются бумагой. Бета-излучение ионизирует слабее и проходит дальше, а гамма-излучение ионизирует слабее всего, зато обладает наибольшей проникающей способностью, поэтому для его ослабления нужны толстые плотные преграды.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Пользоваться таблицей удобно по цепочке: сначала определить состав излучения, затем его заряд и поведение в поле. После этого можно выбрать защитный материал по проникающей способности. Не следует делать вывод о проникающей способности только по силе ионизации: эти свойства связаны, но не совпадают.

Разбор задач

Задача 1. Радиоактивный источник испускает излучение, которое задерживается листом бумаги. Определите вид излучения. Бумага служит здесь простым признаком для сравнения.

1. Сопоставим условие с известными свойствами трёх видов излучения.
2. Альфа-частицы имеют небольшую проникающую способность и задерживаются листом бумаги.
3. Бета- и гамма-излучение проходят через бумагу, поэтому они условию не соответствуют.

Ответ: источник испускает альфа-излучение. Вывод сделан по проникающей способности, а не по цвету или яркости излучения.

Задача 2. В магнитном поле пучок радиоактивного излучения разделился на два отклонённых пучка, причём один отклонился сильнее. Назовите частицы в каждом пучке и объясните различие. Нужно учесть и направление отклонения, и его величину.

1. Два отклонённых пучка состоят из заряженных частиц с противоположными знаками зарядов.
2. Положительно заряженный пучок — это альфа-частицы, то есть ядра гелия; отрицательно заряженный — бета-частицы, то есть электроны.
3. Сильнее отклоняется бета-пучок, потому что электрон имеет намного меньшую массу, чем ядро гелия.

Ответ: пучки состоят из альфа- и бета-частиц. Альфа-пучок отклоняется слабее, а бета-пучок — сильнее и в противоположную сторону.

Задача 3. Источник испускает три вида излучения. Первый задерживается бумагой, второй проходит через бумагу, но задерживается тонким листом металла, третий ослабляется толстым слоем свинца. Определите виды излучения. Сопоставим преграды с возрастанием проникающей способности.

1. Бумага задерживает альфа-частицы, поэтому первый вид — альфа-излучение.
2. Тонкий металл ослабляет бета-частицы, которые проходят через бумагу, поэтому второй вид — бета-излучение.
3. Толстый свинец нужен для ослабления наиболее проникающего гамма-излучения, поэтому третий вид — гамма-излучение.

Ответ: первый вид — альфа-, второй — бета-, третий — гамма-излучение. Порядок определяется увеличением проникающей способности.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что радиоактивность возникает из-за нагревания или освещения вещества. Так думают, потому что многие явления начинаются после внешнего воздействия. Проверка проста: естественный распад продолжается без света и нагревания.

Ошибка 2. Путать состав излучений: принимать альфа-частицы за электроны или считать гамма-излучение потоком частиц. Нужно помнить состав: альфа-частица — ядро гелия, бета-частица — электрон, гамма-излучение — электромагнитное. Полезно проверять себя вопросом: есть ли у данного излучения масса и заряд?

Ошибка 3. Приписывать заряд всем трём видам излучения. Заряжены альфа- и бета-частицы, а гамма-излучение электрически нейтрально. Если пучок не отклоняется в электрическом или магнитном поле, это признак отсутствия электрического заряда.

Ошибка 4. Смешивать ионизирующую и проникающую способности. Сильная ионизация не означает глубокого проникновения: альфа-излучение ионизирует сильнее гамма-излучения, но задерживается бумагой. Проверяйте свойства отдельно: одно показывает действие на атомы, другое — прохождение через преграды.

Связь с другими темами

Для понимания радиоактивности нужны знания о строении атома и ядра, а также о зарядах протона, нейтрона и электрона. Они помогают установить состав альфа- и бета-частиц.

Знание электрического и магнитного полей объясняет, почему заряженные пучки отклоняются. Знак заряда определяет направление отклонения, а масса частицы влияет на его величину.

Тема связана со строением атомного ядра и ядерными реакциями. Она также нужна при изучении способов защиты человека от ионизирующего излучения.

Что запомнить

• Естественная радиоактивность — самопроизвольное явление.
• При радиоактивном распаде нестабильное ядро превращается.
• Альфа-частица — положительно заряженное ядро гелия.
• Бета-излучение в рассматриваемых опытах представляет собой поток электронов.
• Гамма-излучение — нейтральное электромагнитное излучение.
• Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются по заряду, отклонению в полях и проникающей способности.