АЛЬФА БЕТА И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, этим занялся Резерфорд. Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рис. 258). Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный — бета-лучей и нейтральный — гамма-лучей (а-лучи, Р-лучи, у-лучи). Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают а-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятно, соответствующее а-излучению. Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество р-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают у-лучи. Интенсивность поглощения у-лучей увеличивается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении у-лучей через такой слой свинца их интенсивность убывает лишь вдвое. Физическая природа а-, Р- и у-лучей, очевидно, различна. Гамма-лучи. По своим свойствам у-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводит на мысль, что у-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция у-лучей на кристаллах и измерена длина волны. Она оказалась очень малой — от 10"8 до КГ11 см. На шкале электромагнитных волн у-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения у у-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн,— около 300 000 км/с. Бета-лучи. С самого начала а- и Р-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с р-лучами, так как они сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. Основная задача состояла в определении заряда и массы частиц. При исследовании отклонения Р-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости р-частиц, испущенных данным радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями. Это и приводит к расширению пучка Р-частиц в магнитном поле (см. рис. 258). Альфа-частицы. Труднее было выяснить природу а-частиц, так как они слабо отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе т по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы1. Следовательно, у а-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы. Но заряд а-частицы и ее масса оставались неизвестными. Следовало измерить либо заряд, либо массу а-частицы. С появлением счетчика Гейгера проще и надежнее было измерить- заряд. Сквозь очень тонкое окошко а-частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им. Резерфорд поместил на пути а-частиц счетчик Гейгера, который измерил число частиц, испускавшихся радиоактивным препаратом за определенное время. Затем он поставил вместо счетчика металлический цилиндр, соединенный с чувствительным электрометром (рис. 259). Электрометром Резерфорд измерил заряд а-частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время (радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем). Зная суммарный заряд а-частиц и их число, Резерфорд определил отношение этих величин, т. е. заряд одной а-частицы. Этот заряд оказался равным двум элементарным. Таким образом, он установил, что у а-частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что а-частица — это ядро атома гелия2. Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном а-распаде образуется гелий. Собирая а-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая а-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия). Рис. 259 'Атомная единица массы (а. е. м.) равна '/,2 массы атома углерода; 1 а.е.м.= = 1,66057-10"27 кг. 2 В то время (первое десятилетие XX века) атомное ядро еще не было открыто. Поэтому Резерфорд говорил об ионе атома гелия. число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле. Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Ученый предположил, что одновременно с а-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ. Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она практически становится равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и нашел, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым' номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, к которому пришли ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома — а-частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых у-излучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения2. Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях». После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь а-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Таким образом, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц. ' От латинского слова spontaneus — самопроизвольный. 2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра. активность убывает в два раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т — это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов. Ведь уменьшения активности препарата в два раза можно достичь простым делением его на две равные части. Спад активности, т. е. числа распадов в секунду, в зависимости от времени для одного из радиоактивных препаратов изображен на рисунке 260. Период полураспада этого вещества равен 5 сут. Найдем теперь математическую форму закона радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (^=0) равно N0. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно . Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным: По истечении времени t—nT, т. е. спустя п периодов полураспада Т, радиоактивных атомов останется: Поскольку Это и есть основной закон радиоактивного распада. По формуле (13.1) находят число нераспавшихся атомов в любой момент времени. Период полураспада — основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся 238 значения. Так, период полураспада урана 92U равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении отрезка времени в несколько лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды. Чтобы, пользуясь формулой (13.1), определить период полураспада, надо знать число атомов N0 в начальный момент времени и подсчитать число нераспавшихся атомов N спустя определенный интервал времени t. Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона представить себе нелегко. Действительно, согласно ему за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Радиоактивные атомы «не стареют». Так, атомы радона, возникающие при распаде радия, имеют одинаковые шансы претерпеть радиоактивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни т. Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, например, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, в то время как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии. Среднее время жизни т — это просто среднее арифметическое времени жизни достаточно большого количества атомов данного вида. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Конкретный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Закон радиоактивного распада определяет среднее число атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом. Говорить об определенном законе радиоактивного распада для малого числа атомов не имеет смысла. Этот закон справедлив в среднем для большого количества частиц. Счетчик регистрирует р-частицы радиоактивного препарата очень малой интенсивности. Происходят пи срабатывания счетчика через одинаковые интервалы времени!