§ 47. Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер некоторых атомов, сопровождающееся испусканием частиц и излучения. «Самопроизвольное» означает, что распад начинается не из-за нагревания или другого обычного внешнего воздействия. Это понятие нужно, чтобы отличать ядерные превращения от свечения и других явлений, происходящих с атомами или веществами.

Радиоактивное излучение возникает при радиоактивном превращении и включает альфа-, бета- и гамма-излучение. Это общее название трёх видов, которые различаются своей природой и свойствами. Оно помогает описывать, что именно испускает нестабильное ядро, не смешивая частицы и электромагнитные волны.

Альфа-излучение — поток положительно заряженных альфа-частиц, каждая из которых представляет собой ядро атома гелия. В ядре гелия есть протоны и нейтроны, поэтому альфа-частица массивнее электрона. Такое представление позволяет предсказать её отклонение в поле и способность проникать через вещество.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, а гамма-излучение — электромагнитное излучение. Электрон является частицей с отрицательным зарядом, тогда как гамма-излучение не состоит из заряженных частиц и не имеет электрического заряда. Различие их природы нужно учитывать, когда объясняют поведение излучений в полях и при прохождении через преграды.

Как это устроено

Радиоактивность впервые обнаружили, когда выяснилось, что некоторые вещества испускают проникающее излучение без предварительного освещения. Это явление назвали самопроизвольным, потому что превращение происходит внутри ядра без запуска извне. Обычные изменения температуры, давления и химического состояния вещества не прекращают и заметно не ускоряют такой распад. Значит, источник явления — не внешняя оболочка атома, а его ядро.

Чтобы исследовать излучение, его пропускали через электрическое или магнитное поле и наблюдали за направлением пучков. Если пучок состоит из заряженных частиц, поле действует на них силой и меняет их движение. В опыте обнаруживались две составляющие, отклонённые в противоположные стороны, и одна, сохранившая прямое направление. Так установили, что радиоактивное излучение неоднородно и включает три вида.

Направление отклонения зависит от знака заряда: положительные и отрицательные частицы поле направляет в разные стороны. Поэтому альфа-частицы с положительным зарядом и бета-частицы-электроны с отрицательным зарядом отклоняются противоположно. Их отклонение неодинаково и по величине: электрон намного легче ядра гелия, поэтому его траектория меняется сильнее. Гамма-излучение электрического заряда не имеет и электрическим полем не отклоняется.

Способность проходить через вещество также различна. Альфа-частицы взаимодействуют с веществом достаточно сильно и теряют энергию на коротком пути, поэтому их задерживают лист бумаги или наружный слой кожи. Бета-частицы проходят дальше, но их может остановить тонкий слой металла, например алюминия. Гамма-излучение проникает глубже всех: для его заметного ослабления используют толстые слои плотных материалов, например свинца или бетона.

Если ядро способно испускать частицы и излучение, значит, оно не является простой неделимой частью атома. Разные виды излучения дают возможность судить о свойствах ядер по их заряду, отклонению и взаимодействию с веществом. Наблюдая за радиоактивными превращениями, учёные изучают, как меняются ядра и какие частицы участвуют в этих изменениях. Поэтому радиоактивность стала одним из способов исследования внутреннего строения атома.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Пользуйся таблицей, чтобы сопоставлять наблюдаемое поведение пучка с его природой и зарядом. При решении задач сначала проверь, отклоняется ли излучение и в какую сторону, а затем оцени его способность проходить сквозь преграды. Такой порядок помогает не спутать бета- и гамма-излучение.

Разбор задач

Задача 1. В электрическом поле радиоактивное излучение разделилось на три составляющие. Нужно определить, какая из них не отклоняется. Используем связь между электрическим зарядом и действием поля: заряженная частица испытывает силу, а незаряженная — нет.

1. Сопоставим три составляющие с их природой: альфа-частицы — ядра гелия, бета-частицы — электроны, гамма-излучение — электромагнитное.
2. Проверим заряд: альфа- и бета-частицы заряжены, а гамма-излучение электрического заряда не имеет.
3. Следовательно, в электрическом поле не отклонится именно гамма-излучение.

Ответ: не отклоняется гамма-излучение. Ход рассуждения основан на отсутствии электрического заряда, а не на большей или меньшей проникающей способности.

Задача 2. Альфа- и бета-частицы отклонились в электрическом поле в противоположные стороны. Определим знаки их зарядов, не зная конкретного направления отклонения. Для этого сравним реакцию частиц с тем, как поле действует на положительный и отрицательный заряды.

1. Установим, какая пластина поля положительная, а какая отрицательная: направление электрического поля принято указывать от положительной пластины к отрицательной.
2. Положительный заряд отклоняется по направлению электрического поля, отрицательный — против него. Поэтому частица, отклонённая к отрицательной пластине, имеет положительный заряд.
3. Альфа-частица — ядро гелия, её заряд положительный; бета-частица — электрон, её заряд отрицательный. Их траектории поэтому расходятся в разные стороны.

Ответ: альфа-частицы заряжены положительно, бета-частицы — отрицательно. Если в условии указаны конкретные направления, сначала выясни полярность пластин, а затем примени правило для зарядов.

Задача 3. Три образца излучения проходят через преграды разной толщины. Один пучок задерживается бумагой, второй проходит бумагу, но задерживается тонким листом металла, а третий проходит и через эти преграды. Определим вид каждого излучения по тому, насколько глубоко оно проникает.

1. Сравним результат с порядком проникающей способности: альфа-излучение проходит хуже бета-, а бета- хуже гамма-излучения.
2. Пучок, который задержала бумага, — альфа-излучение. Пучок, прошедший бумагу, но остановленный металлом, — бета-излучение.
3. Пучок, прошедший через обе преграды, — наиболее проникающее гамма-излучение; для его ослабления потребовалась бы более толстая защита.

Ответ: бумага задерживает альфа-излучение, тонкий металл — бета-излучение, а наиболее глубоко проходит гамма-излучение. Решая такую задачу, важно сравнивать результаты прохождения через преграды, а не только их материал.

Типичные ошибки

Считать радиоактивность обычным свечением вещества — ошибка: свечение связано с испусканием света атомами или веществом, а радиоактивное излучение возникает при превращении ядер. Путают эти явления, потому что в обоих случаях что-то испускается. Проверь себя вопросом: меняется ли ядро? Если речь идёт о радиоактивности, источник излучения — ядерное превращение.

Путать бета- и гамма-излучение нельзя: бета-излучение представляет собой поток электронов, а гамма-излучение — электромагнитное. Ошибка возникает, если запоминать только, что оба вида способны проходить через вещество. Проверка простая: бета-частица имеет отрицательный заряд и отклоняется в поле, гамма-излучение заряда не имеет и не отклоняется.

Неверно считать, что все три вида одинаково отклоняются в электрическом поле. Альфа- и бета-частицы отклоняются в противоположные стороны, а гамма-излучение не отклоняется. Иногда забывают, что поле действует именно на заряд. Для самопроверки назови заряд каждого вида: положительный у альфа-частиц, отрицательный у бета-частиц, отсутствует у гамма-излучения.

Утверждение «альфа-излучение самое проникающее» перепутывает порядок свойств: оно задерживается легче всего, а гамма-излучение проходит глубже всех. Это можно запомнить неверно, если принять большую массу альфа-частицы за признак большей проникающей способности. Проверь себя, восстановив ряд: бумага задерживает альфа-, тонкий металл — бета-, толстый плотный слой ослабляет гамма-излучение.

Связь с другими темами

Для понимания радиоактивности пригодятся знания о строении атома: важно отличать ядро от электронной оболочки и знать, что в ядре находятся протоны и нейтроны. Также нужно помнить, что электрический заряд определяет направление действия электрического поля на частицу. Эти знания помогают объяснить отклонение альфа- и бета-частиц.

Представления о радиоактивности подготавливают к изучению строения атомного ядра и ядерных превращений. По испускаемым частицам и излучению можно судить о процессах внутри ядра. Далее эти знания связывают с изменением состава ядер и их свойств.

Различия в проникающей способности важны для понимания применения радиоактивного излучения и радиационной безопасности. Они помогают объяснить, почему для разных видов излучения нужны разные преграды. При этом знание защитных материалов не заменяет правил безопасного обращения с источниками излучения.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение атомных ядер.
• Радиоактивное излучение бывает альфа-, бета- и гамма-.
• Альфа-частицы имеют положительный заряд, бета-частицы — отрицательный.
• Гамма-излучение не имеет электрического заряда.
• Альфа-излучение обладает наименьшей проникающей способностью.
• Гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью.