Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Строение атома и элементы квантовой физики. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

1.2. Исследования ионизации газов радиоактивным излучением

торами электрометра, что и делалось при исследовании степени ионизации газа радиоактивным излучением.

М. Склодовская–Кюри и П. Кюри не только подтвердили открытое

Беккерелем явление ионизации воздуха под воздействием радиоактивного излучения, но, измеряя степень ионизации воздуха, смогли оценить интенсивность такого излучения, исходящего из разных исследованных ими веществ. Это позволило в дальнейшем открыть новые, ранее неизвестные химические элементы – источники радиоактивного излучения – полоний и радий. Методика измерений и установка для измерения степени ионизации воздуха была разработана М. Склодовской–Кюри. Рассмотрим предложенный ею метод измерения радиоактивности [5].

Плоский конденсатор AB (рис. 1.3) помещают в ионизационную камеру K. Радиоактивное вещество R в виде порошка или малых частиц помещают на обкладку B конденсатора, на которую подают некоторое напряжение от батареи. Если ключ D замкнуть, то между обкладками конденсатора потечет ток, так как воздух внутри камеры ионизируется. Напомним, что плотность тока в газе j = nq, где n – концентрация ионов в газе, q – заряд отного иона, а скорость движения ионов зависит от величины поданного напряжения. Концентрация ионов, образующихся в воздухе внутри камеры, зависит от интенсивности излучения, исходящего из радиоактивного вещества. Поэтому при одинаковом напряжении на конденсаторе AB ток будет тем больше, чем интенсивнее излучение. В результате протекания тока обкладка A конденсатора заряжается. Заряд обкладки тем больше, чем выше значение силы тока, т.е. возникает больше ионов и, следовательно, выше интенсивность излучения. Таким образом, количественная оценка интенсивности излучения сводится к измерению заряда на обкладке A конденсатора. Величину этого заряда можно оценивать с помощью электрометра E, подключенного через клемму C к обкладке A конденсатора.

Первый способ оценки величины заряда состоит в следующем. Ключ D размыкают, ток в газе прекращается и обкладка A постепенно разряжается, а электрометр показывает уменьшение разности потенциалов. Чем дольше идет этот процесс, тем больше был заряд конденсатора, следовательно, тем интенсивнее образовывались ионы в воздухе ионизационной камеры и тем интенсинее было излучение. Такой метод позволяет

1. Радиоактивность

сравнивать интенсивности излучения, исходящего из одинаковых количеств разных веществ или интенсивности излучения из разных количеств одного и того же вещества.

Рис. 1.3. Схема опятов П. и М. Кюри по измерению ионизации

воздуха под воздействием радиоактивного излучения

Более точным является второй способ, специально предложенный

М. Склодовской–Кюри для измерения интенсивности излучения. В этом случае конденсатор не разряжают, а величину разности потенциалов между обкладками компенсируют, подавая малыми порциями заряд на электрометр. Когда отклонение лепестка электрометра оказывается равным нулю, сообщенный ему заряд создает такую же по величине (но противоположную по знаку) разность потенциалов, что и разность потенциалов, возникающая между обкладками A и B конденсатора в ионизационной камере. Таким образом, разность потенциалов удается измерить, а это позволяет, зная параметры конденсатора, определить, сколько ионов в секунду образуется между обкладками и оценить интенсивность излучения.

Величины токов и зарядов в этом эксперименте очень малы и

поэтому трудно измерить величину заряда, подаваемого на электрометр для компенсации заряда на обкладке A конденсатора. Эта проблема была решена использованием «пьезоэлектрических весов», специально разработанных Пьером Кюри. Пьер Кюри и его брат Жан в 1880 г. открыли и

1.2. Исследования ионизации газов радиоактивным излучением

подробно исследовали пьезоэлектрический эффект, который состоит в том, что в некоторых диэлектриках под воздействием механических напряжений возникает поляризация. Величина поляризации зависит от величины внешнего механического воздействия. На рис. 1.3 «пьезо-электрические весы» схематично изображены справа. Они состоят из плоского конденсатора, внутри которого помещена пластина из пьезо-электрического кварца Q. С помощью рычага путем увеличения массы груза G на пластину оказывают механическое воздействие. В пластине возникают механические напряжения, которые приводят к ее поляризации. В результате электростатической индукции на обкладках конденсатора возникают электрические заряды, величина которых равна поляризационным зарядам. Таким образом, изменяя массу груза, можно регулировать величину компенсационного заряда, подаваемого на электрометр. Этим методом Кюри измерили активность различных радиоактивных соединений. Это позволило им открыть новые радиоактивные элементы таблицы Меделеева – полоний и радий.

Ионизирующее действие радиоактивного излучения также лежит в основе современных датчиков радиоактивности. Счетчики Гейгера– Мюллера, впервые разработанные в конце двадцатых годов прошлого века и используемые до сих пор, представляют собой газоразрядную трубку, в которой помещены электроды. На эти электроды подается напряжение 300–400 В, при котором газ еще не ионизирован, но при возникновении центров ионизации в нем может возникнуть кратковременный разряд. Когда заряженная частица попадает внутрь трубки, она ионизирует несколько атомов. Электроны, оторвавшиеся от атомов, разгоняются приложенным к трубке напряжением и в свою очередь ионизируют атомы и молекулы газа. Возникает кратковременный лавинный разряд. Между электродами трубки протекает ток, напряжение между электродами падает, разряд затухает и ток прекращается, после чего напряжение снова восстанавливается до первоначальной величины. Так появление одной заряженной частицы приводит к тому, что в цепи трубки протекает импульс тока. Эти импульсы усиливаются электронными схемами и мы слышим характерные щелчки в динамике устройства. В современных версиях таких приборов с помощью пересчетных электронных устройств определяют число частиц, пролетающих через трубку в единицу времени.

1. Радиоактивность

Это позволяет определить дозу радиации, получаемую в тех или иных условиях человеком. С развитием полупроводниковой электроники газоразрядные трубки стали заменять полупроводниковыми датчиками, но принцип их работы все равно связан с ионизирующим действием радиоактивного излучения.

Сформулируем основные результаты, полученные в ходе первона-

чальных исследований радиоактивности.

1. Атомы некоторых веществ (уран, радий, полоний, актиний и др.)

самопроизвольно испускают излучение, названное радиоактивным.

2. Излучение обладает химическим действием на фотопластинки.

3. Это излучение обладает способностью ионизировать окружающую

среду и по степени ионизации можно судить об интенсивности излучения.

Контрольные вопросы

1. Какие виды излучения называются ионизирующими?

2. Что происходит с электроскопом, если его поместить в камеру, за-

полненную воздухом, который подвергают воздействию радиоактивного излучения? О чем свидетельствует наблюдаемое явление?

3. Какую дополнительную информацию о радиоактивном излучении

можно получить, используя не электроскоп, а электрометр?

4. Опишите устройство и принцип работы квадрантного электрометра.

5. Как при работе с квадрантным электрометром определить величи-

ну электрического заряда, появившуюся на алюминиевом лепестке при радиоактивном облучении воздуха в камере?

6. Опишите схему эксперимента по определению интенсивности

радиоактивного излучения с помощью плоского конденсатора, предложенную М. Склодовской–Кюри и П. Кюри. Почему между обкладками конденсатора при замыкании цепи потечет ток, если на одной из обкладок будет находиться радиоактивное вещество? Какую величину требовалось измерять в эксперименте, чтобы сделать вывод об интенсивности излучения радиоактивного вещества?

7. Какая трудность, возникшая при измерении активности радио-

активных соединений, привела к использованию «пьезоэлектрических

1.3. Открытие новых радиоактивных элементов

весов»? Каким образом в этом случае регулируется величина компенсационного заряда?

8. Что называется интенсивностью излучения радиоактивного вещества?

9. Опишите принцип работы счетчика Гейгера – Мюллера. С какой

целью на электроды газоразрядной трубки подается напряжение 300–400 В? Какое явление будет наблюдаться в газоразрядной трубке при попадании в нее заряженной частицы?

10. Как определяется доза радиации в счетчике Гейгера – Мюллера?

Чему равна допустимая доза радиации для человека? Чему равен 1 Зиверт?

1.3. Открытие новых радиоактивных элементов

Проводя эксперименты с различными солями урана и с чистым ураном, А. Беккерель установил, что для наблюдения излучения необходимо наличие атомов урана в соединении, при этом химическая формула соединения не имеет значения. Он также установил, что самопроизвольное излучение «урановых лучей» происходит без видимых изменений в течение многих месяцев. Этот факт вызывал недоумение у физиков, потому что было непонятно, откуда атомы урана черпают энергию для поддержания непрерывного потока излучения. Вскоре немецкий физик Э. Шмидт показал, что способностью испускать «урановые лучи» обладает также другой химический элемент – торий.

Весьма основательно к исследованию радиоактивных излучений подошли Пьер и Мария Кюри. В своих экспериментах они использовали описанную выше методику измерения степени ионизации воздуха излучением. Они поставили своей целью исследовать все известные химические элементы и многие их соединения на способность испускать «урановые лучи» [5]. Ими были исследованы черные и цветные металлы, редкие и редкоземельные металлы, большое количество металлических руд и различных минералов. Исследователи определяли активность (или интенсивность излучения) препарата, затем подвергали его химическому разделению. После этого измеряли активность продуктов разделения и определяли, перешло ли радиоактивное вещество в один из продуктов полностью или разделилось между этими продуктами. И так далее, пока не выделялись вещества, не излучающие радиоактивные вещества. Такой метод хи-

1. Радиоактивность

мического разделения стал основой новой отрасли науки – радиохимии. Он позволяет из огромной массы руды выделять ничтожно малые количества радиоактивных веществ. В результате П. и М. Кюри подтвердили, что радиоактивное излучение наблюдается у минералов, содержащих уран и торий, причем интенсивность испускаемого излучения у минералов сложного химического состава всегда меньше, чем у чистых урана и тория. Эта интенсивность пропорциональна количеству атомов урана или тория в данных соединениях.

Однако были обнаружены и исключения из этого правила. Некоторые

содержащие уран или торий минералы давали излучение в несколько раз более интенсивное, чем чистые металлы. Если эти минералы получали не из природной руды, а синтезировали в лабораторных условиях, то их излучение оказывалось значительно слабее и соответствовало процентному содержанию урана или тория в них. М. Кюри предположила, что такие минералы содержат в очень небольшом количестве атомы какого-то неизвестного вещества, дающие очень интенсивное излучение. Пользуясь методом химического разделения, в 1898 г. она выделила из руды вещество, по химическим свойствам похожее на висмут, но дающее радиоактивное излучение в 400 раз превосходящее по интенсивности излучение урана. Химические и спектроскопические исследования показали, что это новый элемент таблицы Менделеева. Он был назван полонием в честь Польши, родины Марии Склодовской – Кюри.

В том же 1898 году П. и М. Кюри подобным способом выделили еще

один новый радиоактивный элемент, химические свойства которого напоминали барий, не являющийся радиоактивным. Интенсивность излучения, испускаемого этим элементом, была в 900 раз выше, чем у урана. По предложению первооткрывателей, элемент был назван радием. В конце 1899 г. сотрудник лаборатории П. и М. Кюри А. Дебьерн выделил из той же руды вещество, в 100 000 раз более радиоактивное, чем уран. Этот химический элемент получил название актиния. Эти металлы содержались в руде в очень малых количествах. Так, для получения 0,01 г радия требовалось переработать около тонны руды. Актиний был еще более редким.

Применение ионизационного метода исследования радиоактивности

позволило получить важнейшие экспериментальные результаты в исследовании радиоактивности.

1.4. Исследование состава радиоактивного излучения, α-, β- и γ- лучи

1. Сравнение степени ионизации воздуха излучением позволило ис-

следовать явление радиоактивности количественно и путем радиохимического анализа установить, какие именно атомы испускают это излучение.

2. В ходе исследований радиоактивности минералов были открыты

новые химические элементы (полоний, радий, актиний), испускающие радиоактивные излучения.

Контрольные вопросы

1. Какие основные свойства радиоактивных веществ удалось изучить

с помощью ионизационного метода?

2. Какие новые элементы таблицы Менделеева с высокой интенсив-

ностью радиоактивного излучения были открыты к 1900 г. в лаборатории П. и М. Кюри? Как сильно отличались интенсивности их излучения от интенсивности излучения урана?

1.4. Исследование состава

радиоактивного излучения, α-, β- и γ- лучи

Другим направлением изучения радиоактивности стало исследование свойств самого излучения и особенностей его взаимодействия с веществом. Сначала исследователи обратили внимание на способность излучения проникать через слои различных веществ. Английский физик Э. Резерфорд проводил опыты, очень похожие на опыты П. и М. Кюри по измерению электризации воздуха радиоактивным излучением [5]. Радиоактивное вещество, помещаемое в ионизационную камеру (см. рис.1.3), Резерфорд накрывал тонкими слоями различных веществ и изучал, как в зависимости от этого идет процесс ионизации. Он заметил, что если закрыть радиоактивное вещество самой тонкой металлической фольгой или даже слоем тонкой бумаги, интенсивность излучения существенно уменьшается, но излучение не пропадает полностью. Чтобы снизить интенсивность излучения до величин, соответствующих погрешности его экспериментов, Резерфорду приходилось заметно увеличивать толщину поглощающего слоя вещества. Отсюда он сделал вывод, что радиоактивное излучение

1. Радиоактивность

имеет сложный состав. Одна часть этого излучения хорошо поглощается веществом, а другая имеет гораздо большую проникающую способность. Первую составляющую, хорошо поглощаемую веществом, Резерфорд назвал α-излучением, а вторую, обладающую большей проникающей способностью, – -излучением.

В 1900 г. П. Кюри исследовал действие магнитного поля на радиоактив-ное излучение и установил, что, во-первых, -лучи отклоняются магнитным полем, а во-вторых, в магнитном поле они ведут себя так же, как поток электронов и, следовательно, имеют отрицательный электрический заряд. В том же году А. Беккерель определил отношение заряда к массе для -лучей. Оно оказалось близким к тому, что получалось у Дж. Томсона для электронов. Впоследствии было подтверждено, что -излучение является потоком электронов, обладающих большой кинетической энергией.

Схема опытов по отклонению потоков радиоактивного излучения показана на рис. 1.4. Радиоактивный препарат R (чаще всего это был радий) помещали внутрь свинцового цилиндра C, в котором был просверлен тонкий канал K. Свинец поглощает радиоактивное излучение, и оно может выходить из цилиндра только через узкий прямолинейный канал. Так формируется узкий направленный луч. Этот луч попадает на фотопластинку F, на которой после проявления в местах попадания излучения появляются темные пятна. Если лучи проходят через достаточно сильное магнитное поле, то на фотопластинке таких пятен образуется несколько, в местах попадания на нее различных типов излучения. Из-за того, что энергии, а значит, и величины отклонений частиц α- и -лучей значительно различаются, наблюдать попадание всех видов излучения на пластинку в одном опыте затруднительно. Поэтому в первоначальных экспериментах наблюдали отклонение только -лучей. Фотопластинку могли заменить сцинтилляционным экраном из сернистого цинка, на котором в месте попадания излучения возникало слабое свечение. Применение такого экрана позволяло регистрировать попадание отдельных частиц.

Французский физик П. Вийар (в отечественной литературе его также называют Виларом), тоже исследовал отклонение -лучей магнитным полем. В его опытах α-лучи поглощались тонкой фольгой и не попадали на фотопластинку. Однако вместо одного пятна, получающегося в результате

1.4. Исследование состава радиоактивного излучения, α-, β- и γ- лучи

попадания на пластинку отклоненных магнитным полем -лучей, он обнаружил еще одно пятно, расположенное напротив источника. Таким образом, он обнаружил еще одну составную часть радиоактивного излучения, на которую магнитное поле не действует. Оказалось, что проникающая способность этого вида излучения существенно превышает проникающую способность -лучей. Даже в случае, когда -лучи полностью поглощались слоем вещества, вновь обнаруженное излучение оставляет след на фотопластинке и ионизирует воздух в камере. Этот вид радиоактивного излучения получил название γ-лучей. Это излучение очень похоже на рентгеновское, однако, в отличие от рентгеновских лучей, которые возникают при резком торможении заряженных частиц веществом, γ-лучи испускаются веществом непрерывно, без видимых воздействий на него. Проникающая способность γ-лучей выше, чем у рентгеновских.

Рис. 1.4. Отклонение потоков

радиоактивного излучения в магнитном поле

Свойства α-излучения подробно исследовал Э. Резерфорд. В 1903 г. он показал [5], что α-лучи также отклоняются магнитным полем, однако они отклоняются в сторону, противоположную отклонению β-лучей. Кроме того, напряженность этого поля должна быть намного больше, чем в случае отклонения β-лучей. Эти наблюдения позволили сделать вывод о том, что, во-первых, частицы α-излучения обладают положительным электрическим зарядом, и во-вторых, что кинетическая энергия этих частиц существенно превышает кинетическую энергию частиц β-излучения.

1. Радиоактивность

В дальнейшем Резерфорд показал, что частицы α-излучения – это двухзарядные ионы гелия, т. е. атомы гелия, у которых оторвано два электрона. Для этого он собрал α-частицы радия, образующиеся в результате распада в разрядной трубке, и пропустил через эту трубку электрический разряд. Возникшее в трубке свечение исследовали с помощью спектрографа и оказалось, что при разряде в трубке видны характеристические спектральные линии гелия.

В 1903 г. П. Кюри вместе с А. Лабордом [5] впервые установили, что «соли радия являются источником теплоты, выделяющейся непрерывно и самопроизвольно». С помощью калориметра они измерили количество теплоты, выделяющееся из известной массы радия, и показали, что из одного грамм-атома радия (225 г) в час выделяется примерно 76 кДж энергии. Излучение радия длится многие годы практически без изменений. Отсюда Пьер Кюри сделал вывод о том, что «количества энергии, выступающие на сцену при образовании и превращении атомов, являются весьма значительными и превосходят все, что нам известно в этом отношении» [5].

Исследование взаимодействия радиоактивных излучений с веществом позволило установить свойства этих излучений.

1. Существует три вида радиоактивных излучений, получивших наз-

вания α-, β- и γ-лучей.

2. Частицы, входящие в состав α-лучей, имеют положительный элек-

трический заряд, значительную кинетическую энергию и хорошо поглощаются веществом. Поток α-частиц может быть поглощен слоем вещества в несколько миллиметров и даже меньше. α-частицы являются ионизированными атомами гелия. Масса покоя α-частицы примерно в 7350 раз превышает массу электрона.

3. Частицы, входящие в состав β-лучей, – электроны. Они заряжены

отрицательно и движутся с очень большими скоростями, но энергия этих частиц меньше, чем у α-частиц вследствие их малой массы. Проникающая способность β-излучения значительно выше, чем у α-частиц.

4. Частицы γ-лучей электрическим зарядом не обладают. Их свойства

похожи на свойства рентгеновских лучей. γ-излучение обладает самой высокой проникающей способностью среди всех радиоактивных излучений. γ-излучение представляет собой поток фотонов, квантов электромагнитного излучения, энергия значительно выше, чем у рентгеновских фотонов.

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]