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

так как скорость этих частиц неизвестна. Для частиц с неизвестной скоростью опыт по отклонению в магнитном поле не позволяет определить и массу и скорость, но дает лишь некото-

Рис. 386. Схема опыта по измерению заряда α- и β-частиц: а) Измерение заряда, переносимого пучком частиц; б) счет числа проходящих частиц. 1 — радиоактивный источник, 2 — диафрагма, 3 — собирающий цилиндр, 4 — электрометр, 5 — счетчик частиц

рое соотношение между ними. Другое такое соотношение может быть получено, если произвести дополнительный опыт по отклонению частицы в э л е к т р и ч е с к о м п о л е. Располагая двумя соотношениями, связывающими массу и скорость частицы, нетрудно определить каждую из этих величин в отдельности.

Опыт по о д н о в р е м е н н о м у о п р е д е л е н и ю м а с с ы и с к о р о с т и заряженных частиц может быть поставлен следующим образом (рис. 387). Пучок частиц от радиоактивного источника 1 попадает в узкий зазор между пластинами конденсатора 3, изогнутыми по дуге окружности радиуса ρ. Сквозь зазор, в котором действует электрическое поле E, пройдут только те частицы, масса и скорость которых таковы, что под действием этого поля их траектория будет окружностью радиуса ρ. Для этих частиц необходимое центростремительное ускорение v2/ρ создает электрическая сила qE. Таким образом,

Из конденсатора частицы через щель 4 попадают в однородное магнитное поле B, линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа. Описав в магнитном поле полуокружность, частицы попадают на фотопластинку 5 в точке D. После проявления место попадания ча-

стиц обнаруживается в виде темной полоски. Измеряя расстояние AD, находят радиус траектории частицы в магнитном поле. Этот радиус r связан со скоростью и массой частицы соотношением (198.1)

r = mv/qB.

Решая это уравнение и (214.1) относительно v и m, нетрудно получить

Рис. 387. Схема одновременного измерения скорости и массы заряженных частиц: 1 — радиоактивный препарат; 2 — экран со щелью; 3 — конденсатор; 4 — диафрагма со щелью; 5 — фотопластинка; 6 — полюс магнита. Весь прибор помещен в эвакуированный сосуд, не указанный на рисунке

Измерения, принцип которых указан выше, приводят к следующим результатам. Масса β-частицы совпадает с массой электрона 1). Заряд β-частицы также совпадает с зарядом электрона. Мы приходим к выводу, что β-частицы есть не что иное, как быстрые электроны, вылетающие из атомов радиоактивного вещества. Скорости β-частиц огромны и доходят до 0,99 скорости света. Соответственно энергия β-частиц доходит до нескольких мегаэлектронвольт.

1) Более точно результат опыта по измерению массы β-частиц следует сформулировать так: электрон и β-частица р а в н о й с к о р о с т и обладают равной массой или: м а с с ы п о к о я электрона и β-частицы равны. В случае α-частиц эта оговорка несущественна, так как скорость α-частиц мала по сравнению со скоростью света и измеряемая в опыте масса практически равна массе покоя α-частицы.

Если α-частицы представляют собой ядра гелия, то замедлившиеся α-частицы должны присоединять к себе электроны и образовывать атомы гелия. Такое явление наблюдал Резерфорд. Он заключил радиоактивное вещество в стеклянную ампулу со стенками настолько тонкими, что все испускавшиеся препаратом α-частицы выходили наружу. Ампула была помещена в толстый сосуд большего объема. Через несколько дней при помощи спектрального анализа было обнаружено во внешнем сосуде присутствие гелия.

Опыт Резерфорда неопровержимо доказал, что α-частицы являются быстродвижущимися ядрами гелия. Скорости α-час- тиц значительно меньше скоростей β-частиц и лежат в пределах 10 000–20 000 км/с. Кинетическая энергия α-частиц велика: 4–10 МэВ.

В результате столкновений с атомами среды энергия радиоактивного излучения превращается в конечном счете в тепло. Тепловое действие радиоактивного излучения легко обнаруживается калориметрическими опытами.

§ 215. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения. Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении α-частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение β-частиц доказывается химическими опытами. Если β-частицы испускаются ядрами, то β-радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, β-электрон уносит из я д р а единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не Z, а Z + 1 электронов; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. И действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих β-из- лучение, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на одну единицу превышающим порядковый номер β-излучателя.

Испускание α-частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами.

Итак, испуская α- и β-излучение, атомы радиоактивного элемента и з м е н я ю т с я, превращаясь в атомы н о в о г о элемента.

534 Гл. XXIII. Радиоактивность

В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают α-распад — испускание α-частиц, и β-распад — испускание β-частиц 1).

Так как α-частица уносит положительный заряд в две единицы и массу в четыре единицы, то в результате α-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число 2) на четыре единицы меньше. Масса β-частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы; поэтому испускание β-частицы не изменяет массового числа ядра. Следовательно,

врезультате β-распада радиоактивный элемент превращается

вэлемент с порядковым номером, на единицу б´ольшим и с тем же массовым числом.

Эти правила, указывающие с м е щ е н и е э л е м е н т а в периодической системе, вызванное распадом, называются правилами смещения.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. В случае урана, тория и радия скорость распада настолько мала, что уменьшение числа атомов этих элементов неощутимо даже за промежуток времени

в несколько лет. Существует, однако, большое число б ы с т р о- р а с п а д а ю щ и х с я радиоактивных элементов. Рассмотрим, например, β-радиоактивный изотоп в и с м у т а с массовым числом 210, так называемый RaE (радий Е). RaE выделяется из радия, в котором присутствует в крайне малых количествах. Ничтожные по массе количества RaE легко обнаруживаются по интенсивному β-излучению. Измеряя периодически с помощью газоразрядного счетчика число β-частиц, испускаемых препаратом RaE в единицу времени, мы обнаружим, что это число постепенно уменьшается. График спадания а к т и в н о с т и 3) со временем приведен на рис. 388.

Как видно из графика, по истечении 5 суток активность RaE равна 1/2 начальной, через 10 суток — 1/4 начальной, через 15 суток — 1/8 начальной и т. д. За каждые 5 суток активность

1) При детальном изучении β-распада выяснилось, что в этом процессе вместе с β-частицами излучается очень легкая нейтральная частица нейтрино (см. § 231). В опытах, иллюстрируемых рис. 377, нейтрино ускользает от наблюдения, так как оно не обладает ни ионизационным, ни фотографическим действием.

2) Напомним, что м а с с о в о е ч и с л о атома или ядра — это атомная масса, округленная до целого числа.

3) Активностью радиоактивного препарата называется число частиц, испускаемых препаратом в единицу времени.

уменьшается вдвое. Но для того, чтобы уменьшить активность вдвое, достаточно разделить препарат пополам. Следовательно, число атомов RaE уменьшается вдвое за каждые 5 суток.

Интервал времени, в течение которого распадается п о л о- в и н а атомов радиоактивного вещества, носит название периода

справедливо и для любых t. Соотношение (215.1), дающее зависимость числа н е р а с п а в ш и х с я радиоактивных атомов от времени, называется законом радиоактивного распада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества. Многочисленные опыты показали, что период полураспада радиоактивного вещества есть строго п о с т о я н н а я величина, которая не может быть изменена такими воздействиями (в доступных нам пределах), как охлаждение, нагрев, давление, магнитное поле, силы химического сродства и др. Независимость периода полураспада от внешних условий не должна быть для нас удивительной. Радиоактивный распад есть с в о й с т в о а т о м н ы х я д е р, а для изменения атомного ядра энергия обычных земных воздействий недостаточна (§ 208).

Измерение периода полураспада к о р о т к о ж и в у щ и х ядер сводится к определению промежутка времени, в течение

Радиоактивность .XXIII .Гл

ные изотопы, — устойчивый изотоп, наклонные стрелки — α-распад, вертикальные стрелки — β-распад

537

538 Гл. XXIII. Радиоактивность

Распад урана приводит в конечном счете к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. В урановых рудах накапливаются, конечно, и все промежуточные продукты цепи распада урана. Р а д и й является пятым продуктом в этой цепи. RaE, о котором шла речь выше, — седьмой продукт в цепи распада радия. Первым потомком радия является Rn — радиоактивный инертный газ р а д о н (называемый иногда

эманацией радия).

Накопление радиоактивных продуктов превращения ограни-

содержание в материнском веществе (уране или радии).

Всякое радиоактивное превращение связано, как мы знаем, с испусканием либо α-, либо β-частицы. Некоторые превращения сопровождаются еще и γ-излучением. Сюда относится, например, превращение RaC в RaC (рис. 389).

Помимо семейства урана, в природе существуют еще два радиоактивных семейства. Родоначальником одного из них является торий, родоначальником другого — редкий изотоп урана 23592 U.

§ 216. Применения радиоактивности 1. Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для лечения раковых опухолей.

Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие γ-излучение, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда как организму больного не причиняется существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излечению.

Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая л у ч е- в а я б о л е з н ь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом α-излучение, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.

2. Светящиеся составы. Люминесцирующие вещества светятся под действием радиоактивных излучений (ср. § 213). Прибавляя к люминесцирующему веществу (например, сернистому цинку) очень небольшое количество соли радия, приготовляют постоянно светящиеся краски. Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки

540 Гл. XXIII. Радиоактивность

чивая эту разность потенциалов, мы увеличим энергию частицы. Нельзя, однако, идти по этому пути очень далеко из-за опасности пробоя изоляции при высоком напряжении. Практическим пределом является напряжение 5–8 МВ (мегавольт). Напряжения такого порядка получаются с помощью э л е к т р о с т а т и ч е- с к и х г е н е р а т о р о в (см. том II, § 31).

Рис. 390. Общий вид вакуумной камеры циклотрона

Чтобы преодолеть этот предел, поскольку разность потенциалов свыше 8 МВ осуществить невозможно, остается ускорять частицы о д н о й и т о й ж е разностью потенциалов многократно. Идея м н о г о к р а т н о г о ускорения заряженной частицы сравнительно небольшой разностью потенциалов и лежит в основе большинства современных ускорителей. Примером осуществления этой идеи служит так называемый циклотрон, предложенный в 1936 г. американским физиком Эрнестом Лоуренсом (1901–1958). Принцип действия циклотрона состоит в следующем. Два полых электрода (называемых дуантами) монтируются в непрерывно откачиваемой до высокого вакуума камере и помещаются между полюсами сильного магнита (рис. 390–392). К дуантам прикладывается быстропеременная разность потенциалов. В центре камеры между дуантами устанавливается источник ионов (например, газовый разряд в атмосфере водорода) (рис. 392). В те полупериоды переменного тока, когда электрическое поле направлено от дуанта 1 к дуанту 2, из щели источника 3 вытягиваются положительные ионы. Проходя промежуток между дуантами, ионы приобретают некоторую энергию, зависящую от разности потенциалов между дуантами. В поле магнита ионы движутся по окружности (§ 198). Замечательной особенностью движения в однородном магнитном поле