§ 7.3. Открытие естественной радиоактивности

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное испускание веществом проникающего излучения без внешнего воздействия. Иными словами, для его возникновения не требуется освещать или специально обрабатывать вещество. Это понятие помогает отличить природное свойство атомов от излучения, которое появляется лишь после внешнего воздействия.

Радиоактивное излучение — излучение, испускаемое радиоактивными веществами и вызывающее ионизацию среды. Оно невидимо для глаза, но может проникать сквозь некоторые материалы и действовать на фотопластинку. Понятие нужно, чтобы описывать наблюдаемое действие вещества, не принимая излучение за обычный свет.

Радиоактивное вещество — вещество, атомы которого самопроизвольно превращаются с испусканием излучения. Значит, источник явления связан не с внешним освещением образца, а с процессами в его атомах. Это определение позволяет говорить о радиоактивности как о свойстве вещества.

Ионизирующее действие — способность излучения превращать нейтральные атомы и молекулы среды в ионы, то есть заряженные частицы. В воздухе вследствие этого появляются носители заряда, и газ начинает проводить электрический ток. По этому действию радиоактивность можно обнаружить с помощью электроскопа.

Как это устроено

Анри Беккерель исследовал соли урана и проверял, могут ли они действовать на фотопластинку. Пластинку обернули чёрной бумагой, чтобы отрезать обычный свет, а рядом поместили соль; после проявления она оказалась засвеченной. Причина заключалась в том, что источник испускал излучение, которое проходило через бумагу и воздействовало на фоточувствительный слой. Так возникло предположение о ранее неизвестном проникающем излучении.

Фотопластинка реагирует на свет, поэтому одной её засветки было бы недостаточно, чтобы определить свойства неизвестного воздействия. Однако чёрная бумага не пропускала видимый свет, а излучение от соли всё же достигало пластинки. Проверки с непрозрачными материалами подтвердили, что воздействие не сводится к освещению образца. Способность проникать сквозь преграды и засвечивать пластинку позволила обнаруживать излучение даже тогда, когда его нельзя увидеть.

Чтобы выяснить причину явления, сравнивали действие урановой соли при разных условиях. Засветка сохранялась и без солнечного света, а изменение освещения не устраняло излучение. Оно также не требовало предварительного облучения или нагревания образца. Значит, соль не просто накапливала энергию от внешнего источника: излучение возникало самопроизвольно.

Для регистрации излучения можно было использовать его воздействие на воздух. Излучение выбивает электроны из нейтральных атомов и молекул, образуя заряженные частицы; это и называется ионизацией. Ионизированный воздух проводит электрический ток, поэтому заряд электроскопа постепенно уходит, а его листочки сближаются. Так разряд прибора становится признаком ионизирующего действия, а не свидетельством того, что сам образец обязательно заряжен.

Пьер и Мария Кюри исследовали, присуще ли такое явление только урану. Они обнаружили радиоактивность тория, а также выделили и изучили новые радиоактивные элементы — полоний и радий. Это показало, что излучение испускают атомы разных веществ, а не только соединения урана. Поскольку при радиоактивности атомы самопроизвольно превращаются, явление стало свидетельством сложного строения атома.

Основные этапы открытия естественной радиоактивности

Читайте таблицу как цепочку: наблюдение подсказывает вывод, а значение показывает, что новый вывод дал физике. Сопоставляйте разные способы регистрации: фотопластинка фиксирует действие излучения, электроскоп — ионизацию воздуха. Последняя строка обобщает результаты исследований на другие вещества.

Разбор задач

Фотопластинка и соль урана

Фотопластинку завернули в чёрную бумагу, оставили рядом с солью урана, и она засветилась. Нужно определить, что доказывает опыт, и не смешать излучение с обычным светом. Рассуждаем от условий эксперимента: бумага задерживает видимый свет, но не остановила воздействие соли.

1. Уточним, что именно было исключено: фотопластинку защищали от солнечного и комнатного света.
2. Сравним это с результатом: пластинка всё равно засветилась рядом с урановой солью.
3. Сделаем вывод: соль испускает невидимое излучение, способное пройти через обёртку и подействовать на фотопластинку.

Ответ: урановая соль самопроизвольно испускала проникающее излучение; засветка не объясняется обычным видимым светом.

Разряд электроскопа

Электроскоп рядом с образцом урана разряжается быстрее, чем без него. Важно установить, что переносит заряд и почему это происходит. Разряд прибора показывает, что окружающий воздух стал проводить электрический ток.

1. Радиоактивное излучение проходит в воздух и ионизирует его молекулы.
2. При ионизации возникают заряженные частицы, способные перемещаться и переносить заряд.
3. Из-за проводимости воздуха заряд электроскопа убывает, поэтому его листочки сближаются.

Ответ: электроскоп разряжается, потому что излучение ионизирует воздух и делает его проводником. Само наблюдение не означает, что у образца обязательно есть электрический заряд.

Освещение и радиоактивность

Два одинаковых образца урановой соли исследовали в разных условиях: один освещали, другой держали в темноте. Обе фотопластинки засветились одинаково. Нужно понять, связано ли испускание излучения с освещением, и отделить совпадение от причины явления.

1. Сравним условия: менялось только освещение, а образцы и способ регистрации были одинаковыми.
2. Сравним результат: освещённая и находившаяся в темноте соли вызвали одинаковую засветку.
3. Следовательно, солнечный свет не определяет появление излучения; оно испускается самопроизвольно.

Ответ: естественная радиоактивность не зависит от освещения. Для такого вывода существенно, что сравнивали одинаковые образцы и одинаковые фотопластинки.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что радиоактивность возникает только после освещения или нагревания вещества. Так думают, потому что часто связывают любое излучение с внешним источником энергии. Проверь себя: вспомни опыт с солью в темноте — она продолжала действовать на фотопластинку, значит, явление самопроизвольное.

Не отождествляй радиоактивное излучение с видимым светом. Путаница возникает из-за того, что оба воздействия могут засветить фотопластинку, но само излучение глаза не видит и оно обладает проникающей способностью. Проверка простая: видимый свет задерживала чёрная бумага, тогда как урановое излучение проходило через неё.

Неверно утверждать, что радиоактивность обнаружена только у урана. Первые опыты Беккереля были связаны с солями урана, поэтому легко принять первый исследованный случай за единственный. Проверь вывод по результатам работ Кюри: радиоактивность обнаружили также у тория, а полоний и радий стали известными радиоактивными элементами.

Разряд электроскопа не доказывает, что радиоактивное вещество само заряжено. Ошибка появляется, если не учитывать среду между образцом и прибором. Излучение ионизирует воздух, который становится проводящим; проверь себя вопросом, что именно переносит заряд от электроскопа: в опыте это заряженные частицы в воздухе.

Связь с другими темами

Для понимания открытия нужны знания о строении атома, электрическом заряде и ионизации газа. Полезно также знать, как фотопластинка реагирует на излучение и как устроен электроскоп. Позже эти идеи пригодятся при изучении радиоактивного распада, видов излучения, ядерных превращений и ядерной энергетики. С химией тема связана тем, что радиоактивность показала: атом не неделим и может превращаться в атом другого элемента.

Что запомнить

• Естественная радиоактивность — самопроизвольное излучение некоторых веществ.
• Открытие радиоактивности связано с опытами Анри Беккереля с солями урана.
• Радиоактивное излучение невидимо, обладает проникающей способностью и засвечивает фотопластинку.
• Радиоактивное излучение ионизирует воздух.
• Естественная радиоактивность не зависит от освещения и других обычных внешних воздействий.
• Супруги Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли полоний и радий.
• Радиоактивность стала доказательством сложного строения атома.