Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

лучения. Отрицательно заряженные частицы называют β-части- цами или β-излучением. Магнитное поле отклоняет α-частицы несравненно слабее, чем β-частицы. Нейтральная компонента, не испытывающая отклонения в магнитном поле, получила название γ-излучения.

Рис. 377. Отклонение радиоактивного излучения магнитным полем: а) траектории лучей в отсутствие магнитного поля; б) траектории лучей в магнитном поле (штриховой круг — проекция полюсов магнита; линии поля направлены из-за плоскости чертежа на нас); в) лист бумаги толщиной 0,1 мм полностью поглощает α-излучение. 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый экран, 3 — фотопластинка, 4 —

лист бумаги толщины 0,1 мм

α-, β- и γ-излучения сильно отличаются друг от друга по свойствам, в частности по способности проникать сквозь вещество. Для исследования проникающей способности радиоактивного излучения можно использовать тот же прибор (рис. 377, б). Будем помещать между препаратом 1 и щелью экраны возрастающей толщины, производить снимки в присутствии магнитного поля и отмечать, начиная с какой толщины экрана исчезнут следы лучей каждого рода.

Оказывается, первым исчезает след α-частиц. α-частицы полностью поглощаются уже листом бумаги толщины около 0,1 мм (рис. 377, в; 378, а). Поток β-частиц постепенно ослабляется с увеличением толщины экрана и поглощается полностью при толщине алюминиевого экрана в несколько миллиметров (рис. 378, б). Наиболее проникающим является γ-излучение. Слой алюминия толщины 1 см почти не ослабляет интенсивности γ-излучения.

Вещества с большим атомным номером обладают значительно б´ольшим поглощающим действием для γ-излучения; в этом

отношении γ-излучение сходно с рентгеновским. Так, 1 см свинца (Z = 82) ослабляет пучок γ-излучения примерно в два раза (рис. 378, в).

Рис. 378. Поглощение радиоактивных излучений веществом

Различие в свойствах α-, β- и γ-излучений наглядно проявляется в так называемой камере Вильсона — приборе для наблюдения путей быстрых заряженных частиц. Камера Вильсона (рис. 379) представляет собой стеклянный цилиндр 1 со стек-

Рис. 379. Камера Вильсона (упрощенная схема): 1 — стеклянный цилиндр, 2 — поршень, 3 — осветитель, 4 — фотоаппарат. Воздух над поршнем насыщен паром воды

лянной крышкой, в котором может перемещаться поршень 2. Объем цилиндра над поршнем заполнен воздухом, насыщенным паром воды (или спирта). При резком опускании поршня воздух в камере охлаждается вследствие быстрого расширения. Пар воды становится п е р е с ы щ е н н ы м, т. е. создаются условия для конденсации пара на я д р а х к о н д е н с а ц и и (см. том I, § 300). В качестве ядер конденсации могут служить продукты ионизации воздуха. Ионы поляризуют молекулы воды и при-

тягивают их к себе, облегчая этим конденсацию. Ядрами конденсации могут служить также частички пыли, но при работе с камерой Вильсона воздух в ней тщательно очищают.

Пусть пар в камере находится в состоянии п е р е с ы щ е- н и я. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. На каждом ионе оседает капелька, и траектория частицы становится видимой в виде т у- м а н н о г о с л е д а. Освещая туманные следы сбоку сильной лампой 3 (рис. 379), можно сфотографировать их через прозрачную крышку камеры. Такие фотографии изображены на рис. 380 и 381. С помощью этого замечательного метода мы имеем воз-

Рис. 380. Следы α- и β-частиц в камере Вильсона. Частицы испускаются радиоактивным препаратом, помещенным в нижней части камеры: а) α-частицы: камера в магнитном поле 4,3 Тл, направленном перпендикулярно плоскости рисунка от нас; б) β-частицы: магнитное поле 0,0215 Тл направлено на нас

можность наблюдать траекторию полета (след) о д н о й - е д и н- с т в е н н о й α- или β-частицы. Туманные следы существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух

524 Гл. XXIII. Радиоактивность

в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Ценность камеры Вильсона как физического прибора значительно возрастает, если поместить ее в магнитное поле, как это сделали советские физики Петр Леонидович Капица (1894–1984)

Рис. 381. Фотография следов в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и облучаемой γ-излучением. Вверху — расположение источника: 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый экран с щелью,

γ— пучок γ-излучения

иДмитрий Владимирович Скобельцын (р. 1892). Магнитное поле искривляет траектории частиц (рис. 380). Направление изгиба следа позволяет судить о знаке заряда частицы; измерив радиус траектории, можно определить скорость частицы, если известны ее масса и заряд (см. § 198).

Длина следов α-частиц в воздухе при атмосферном давлении

составляет около 5 см и много меньше длины следов б о л ь- ш и н с т в а β-частиц. Следы α-частиц гораздо жирнее следов β- частиц, что свидетельствует о меньшей ионизующей способности последних.

На рис. 381 представлена камера Вильсона, помещенная

вмагнитное поле и облучаемая источником γ-излучения. Пучки γ-излучения не отклоняются магнитным полем, и их траектории

вкамере должны представлять собой прямые линии, исходящие из источника. Таких прямолинейных следов на фотографии нет. Следовательно, γ-излучение не оставляет на своем пути непрерывной цепочки ионизованных атомов. Действие γ-излучения на вещество сводится к редкому выбиванию из атомов электронов, которым за счет энергии γ-квантов сообщается большая скорость; эти электроны затем производят ионизацию атомов среды. Траектории таких электронов, изогнутые магнитным полем, видны на рис. 381. Большинство электронов исходит из стенок камеры.

Отметим в заключение, что большинство радиоактивных веществ излучает только один род частиц — либо α-частицы, либо β-частицы. Испускание частиц часто (но не всегда) сопровождается испусканием γ-излучения.

§ 213. Способы регистрации заряженных частиц. В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие о д н о й - е д и н- с т в е н н о й частицы атомных размеров. Одним из таких замечательных приборов является к а м е р а В и л ь с о н а, делающая видимыми траектории отдельных быстродвижущихся заряженных частиц (§ 212). Другой прибор этого рода, с примитивной формой которого мы познакомились в § 203, это — так называемый счетчик сцинтилляций.

При бомбардировке некоторых люминесцирующих веществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряженными частицами наблюдается, что заметная доля энергии тормозящихся

вних заряженных частиц превращается в видимый свет: попадание быстрой заряженной частицы на слой такого вещества вызывает кратковременную вспышку света, называемую сцинтилляцией. Яркость вспышки особенно велика в случае α-час- тиц, так как α-частица тормозится на пути длины менее 0,1 мм, и выделяющаяся световая энергия оказывается сосредоточенной

вничтожном объеме. Сцинтилляции, вызываемые α-частицами

вэкране из сернистого цинка, могут быть обнаружены глазом. Простейший прибор, служащий для этой цели, — с п и н т а р и- с к о п — изображен на рис. 382. Однако визуальный (при помощи глаза) способ наблюдения сцинтилляций крайне утомителен. В настоящее время для счета сцинтилляций пользуются особо

1) Детекторы частиц, состоящие из слоев люминесцирующего вещества и фотоумножителей, могут регистрировать одиночные заряженные частицы. Такие приборы — сцинтилляционные счетчики — получили очень широкое распространение. Современные экспериментальные установки включают в себя сотни и даже тысячи таких сцинтилляцнонных счетчиков (см. гл. XXVI).

Рис. 383. Газоразрядный счетчик: 1 — анод счетчика (тонкая нить), 2 — катод (металлический цилиндр), 3 — изоляторы, 4 — электрометр для регистрации разрядов в счетчике. При разряде на нити счетчика скапливаются электроны и потенциал ее снижается. По окончании разряда потенциал нити восстанавливается благодаря притоку зарядов от батареи че-

рез сопротивление

Рассмотрим подробнее механизм действия газоразрядного счетчика. Счетчик представляет собой два коаксиальных цилиндра, и потому электрическое поле в нем неоднородно (см. том II, § 30). Напряженность электрического поля достигает наибольшей величины у нити и быстро спадает при удалении от нее (рис. 385, а). При разности потенциалов около 1000 В напряженность электрического поля вблизи нити оказывается достаточно большой, чтобы сообщать медленным электронам скорость, необходимую для ионизации газа.

Рис. 384. Схема установки для регистрации радиоактивных излучений с помощью газоразрядного счетчика: 1 — газоразрядный счетчик, 2 — усилитель, 3 — электромагнитный нумератор, R 1 МОм

Пусть где-либо в объеме счетчика образовался свободный медленный электрон (например, в результате ионизации газа под действием быстрой частицы, пролетающей через счетчик). Этот электрон будет двигаться к положительно заряженной нити и в области сильного поля вблизи нити начнет ионизовать атомы газа. Электроны — продукты ионизации — ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, давая начало новым и новым электронам и новой ионизации 1).

Число ионизованных атомов лавинообразно нарастает — в газе счетчика в с п ы х и в а е т электрический разряд. Образующиеся при разряде электроны очень скоро собираются на нити, тогда как тяже-

1) Положительные ионы приобретают в электрическом поле счетчика такую же энергию, как и электроны, но благодаря много большей массе скорость их настолько мала, что ионизующим действием положительных ионов можно практически пренебречь.

528 Гл. XXIII. Радиоактивность

лые и потому малоподвижные ионы медленно движутся к цилиндру. Накопление электронов на нити снижает ее положительный заряд и все более и более уменьшает напряженность электрического поля у нити (рис. 385, б). Через короткое время (порядка микросекунды, т. е. миллионной доли секунды) поле ослабляется настолько, что уже не сообщает электронам нужной для ионизации скорости. Ионизация прекращается, и начавшийся разряд о б р ы в а е т с я.

Рис. 385. К механизму работы газоразрядного счетчика частиц (1 — цилиндр счетчика, 2 — нить, диаметр которой преувеличен): а) счетчик заряжен до рабочей разности потенциалов, при которой прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает в нем вспышку газового разряда. Изображены линии электрического поля в счетчике. Густота линий, т. е. напряженность электрического поля, наибольшая у нити; б) поле в счетчике в момент самогашения разряда. Электроны, образованные при ионизации газа, собрались на нити и компенсируют часть ее положительного заряда. Положительные ионы продолжают двигаться к цилиндру. Поле у нити ослаблено; в) поле в счетчике, не присоединенном к батарее, после того как разряд погас и положитель-

ные ионы дошли до цилиндра

Если счетчик не подключен к батарее, то после разряда электрическое поле в нем остается ослабленным, и новый разряд невозможен (рис. 385, в). В обычно же употребляемых схемах включения (рис. 383 и 384) поле в счетчике быстро восстанавливается за счет притока зарядов от батареи, к которой счетчик подключен через сопротивление R. Счетчик оказывается с н о в а г о т о в ы м к действию уже через 100–200 мкс после вспышки разряда.

Отметим, что быстрое гашение разряда происходит только при специальном подборе газового заполнения счетчика и при не слишком большом напряжении на нем. При чрезмерном повышении напряжения в счетчике возникает негаснущий разряд, состоящий из непрерывно следующих друг за другом вспышек описанного выше типа. Повторение вспышек разряда вызывается электронами, которые выбиваются из цилиндра счетчика при попадании на него положительных ионов.

530 Гл. XXIII. Радиоактивность

в о л н ы, отличающиеся очень малой длиной волны и, следовательно, очень большой энергией квантов 1). Как и другие электромагнитные излучения, γ-излучение распространяется со скоростью света, равной 300 000 км/с. γ-излучение и рентгеновское излучение равной длины волны, кроме с п о с о б а п о л у ч е- н и я, ничем друг от друга не отличаются.

Как показывают измерения, энергия квантов γ-излучения различна у различных радиоактивных веществ: наблюдаются γ-кванты с энергией от десятка килоэлектронвольт (кэВ) до

нескольких мегаэлектронвольт (МэВ); этому соответствует длина волны от 10−10 до 10−13 м.

2. α- и β-частицы. Для установления природы α- и β-частиц существенно измерить заряд и массу отдельной частицы.

Измерение заряда в принципе весьма просто. Нужно независимо измерить заряд Q, переносимый пучком частиц за определенное время, и сосчитать число частиц N , пролетающих за то же время. Очевидно, заряд одной частицы

q = Q/N.

Опыт по измерению заряда α- или β-частиц может быть поставлен следующим образом (рис. 386, а). Радиоактивный препарат 1, испускающий с постоянной интенсивностью α- или β-частицы, устанавливается перед диафрагмой 2, отверстие которой вырезает узкий пучок частиц. Все частицы, прошедшие через отверстие, улавливаются полым металлическим цилиндром 3, присоединенным к чувствительному электрометру. По отклонению электрометра определяют заряд, внесенный пучком внутрь цилиндра.

Далее, не изменяя положения препарата и диафрагмы, заменяют электрометр и цилиндр счетчиком частиц 5 (рис. 386, б) и сосчитывают число частиц, проходящих через отверстие диафрагмы за время, равное времени измерения заряда. Для счета частиц в этом опыте могут быть применены с ч е т ч и к с ц и н т и л л я ц и й или г а з о р а з р я д н ы й счетчик, описанные в предыдущем параграфе.

Опытами подобного рода было установлено, что α-частицы несут положительный заряд, равный двум элементарным зарядам. Заряд β-частиц оказался равным одному элементарному отрицательному заряду.

Измерение массы α- и β-частиц оказывается задачей несколько более сложной, чем измерение массы ионов (см. § 198),

1) Напомним, что энергия кванта W связана с частотой излучения ν и с длиной волны λ соотношениями

W = hν = hc/λ,

где h — постоянная Планка, c — скорость света в вакууме.