2.4. Альфа-, бета-і гамма-промені

Ми вже згадували про численні спроби вплинути на здатність радію випромінювати радіоактивні промені. Ці спроби не привели ні до якого результату. Проте, намагаючись впливати на радій магнітним полем, П'єр і Марія Кюрі виявили, що хоча променепропускаюча здатність радію при приміщенні його в магнітне поле не змінюється (інтенсивність випромінювання залишається незмінною), самі радіоактивні промені зазнають сильних змін при проходженні через магнітне поле. Однорідний до вступу в магнітне поле промінь розділяється полем на два промені. Один з цих променів поширюється так, як якщо б магнітне поле на нього абсолютно не діяло; інший промінь під впливом поля різко змінює напрямок свого руху.

На час дослідів Беккереля фізикам вже були відомі промені, здатні відхилятися в магнітному полі. Це були промені, утворені потоком електрично заряджених частинок, що рухаються в одному напрямку. З напрямку відхилення можна визначити знак заряду, тобто встановити, чи є заряд частки позитивним чи негативним. Більш докладні відомості могли бути отримані при спостереженні руху цих частинок у магнітному та електричному полях. В цьому випадку можливо визначити не тільки заряд, але і його відношення до маси рухомої частинки. З дослідів Кюрі випливало, що рухомі заряди негативні, а зміряне відношення заряду до маси виявилося рівним 5,3-10 ¹⁷ електростатичних одиниць на грам. Таким же відношенням заряду до маси мають електрони, що мають негативний електричний заряд. З цього зіставлення можна булосказати, що принаймні частина променів, що випускаються радієм, являє собою потік електронів, що рухаються.

Була виміряна величина швидкості електронів, що випускаються радієм. Вона виявилася дуже великою. Деякі з електронів мали швидкість, близьку до швидкості світла, тобто близько 3.00 000 км на секунду. Ці дослідження трохи відкрили таємниче покривало, огортає радіоактивні промені, - виявилося, що частина їх являє собою потік електронів, що рухаються. Але що ж являє собою інша частина променів, яка не відхиляється магнітним полем?

За її дослідження взявся Резерфорд. Він зауважив, що невідхиляюча в магнітному полі частина радіоактивних променів володіє такими ж дивними особливостями в поглинанні, як і весь пучок. Добре було відомо і раніше, що при проходженні радіоактивних променів через речовину різної товщини вони поглинаються спочатку дуже сильно, а потім повільно, так що, загалом, вони можуть проходити через значні товщі речовини. Тому можна було думати, що радіоактивні промені неоднорідні і представляють собою «суміш» різних променів, одні з яких поглинаються сильно, а інші слабо.

Така думка до дослідів П'єра і Марії Кюрі ніким не висловлювалася. Проте, коли досліди Кюрі підтвердили складність складу радіоактивного випромінювання, природно було припустити, що сильно поглинається частина випромінювання є потоком електронів, а інша частина цих променів, яка, подібно променям Рентгена, не відхиляється магнітом, так само як і промені Рентгена, порівняно слабко поглинається речовиною. Досвід, однак, показав, що ця частина радіоактивних променів веде себе по відношенню до поглинання так само, як і весь пучок.

Це відмінність і спонукало Резерфорда до подальших досліджень. А що, якщо і та частина променів радію, яку П'єр і Марія Кюрі не змогли відхилити магнітним полем, теж неоднорідна? Що, якщо вони користувалися слабким магнітним полем? Може бути, сильне магнітне поле надасть іншу дію? І Резерфорд повторює їх спроби, але при цьому він створює магнітне поле, набагато більш сильне, ніж у їх дослідах.

Результат дослідів Резерфорда виявився вражаючим. Пучок променів, який в дослідах Кюрі не відхилявся магнітним полем, у магнітному полі Резерфорда в свою чергу розщепився на дві частини. Одна з них як і раніше не відхилялася магнітним полем, а інша частина під дією сильного магнітного поля злегка відхилялася від свого початкового напряму. Дуже цікавим виявилося те, що ці промені відхилялися в бік, протилежний відхиленню електронів. Отже, і ця частина радіоактивних променів являє собою потік заряджених часток (бо на рух незаряджених частинок магнітне поле не діє) і притому заряджених позитивно. Досвід показав, що нові складові радіоактивних променів щодо поглинання вели себе цілком певним чином.

Та частина радіоактивного випромінювання, яка абсолютно не відхилялася магнітним полем, поглиналася дуже незначно. Та ж частина радіоактивного випромінювання, яку Резерфорду вперше вдалося відхилити, поглиналася надзвичайно сильно.

Рис. 1. Схема досліду з розділення радіоактивних променів магнітним полем. 1-радіоактивну речовину; 2 - свинцева коробочка з тонким каналом, в якому міститься радіоактивна речовина, 3 - промені, що не відхилені магнітним полем (гамма-промені), 4 - промені, слабо відхиляється магнітним полем (альфа-промені), 5 - промені , сильно відхиляється магнітним полем (бета-промені); 6-область, в якій створено магнітне поле.

Та частина радіоактивного випромінювання, яка абсолютно не відхилялася магнітним полем, поглиналася дуже незначно. Та ж частина радіоактивного випромінювання, яку Резерфорду вперше вдалося відхилити, погл Складалося враження, що промені, що спостерігалися спочатку Беккерелем, являють собою суміш трьох типів проміння. На рис. 1 наведено схематичне зображення поділу радіоактивних променів магнітним полем.

Радіоактивні промені складаються з променів трьох різних типів. Кожен з них отримав своє особливу назву та позначення. Їх визначили та назвали трьома першими літерами грецького алфавіту: альфа ( ), Бета () І гамма (). Альфа-променями назвали ті промені, які магнітним полем відхиляються слабо і являють собою потік позитивно заряджених частинок.

Бета-променями стали називати ті промені, які порівняно сильно відхиляються магнітним полем і являють собою потік електронів. Гамма-променями стали називати промені, які зовсім не відхиляються магнітним полем. Слід зазначити, що альфа-промені відхиляються в магнітному полі у вигляді вузького пучка, в той час як бета-промені відхиляються магнітним полем у вигляді широкого розмитого пучка. Ця обставина говорить про те, що альфа-промені, що вилітають з радію, мають однакову енергію, а бета-промені є потоком електронів різної енергії.

Поділ радіоактивних променів на альфа-, бета-і гамма-промені дозволило дослідити їх властивості окремо. Ось деякі результати цих досліджень.

Альфа-промені поглинаються найбільш сильно. Тонкий листочок слюди або алюмінію товщиною всього лише в 0,05 мм поглинає альфа-промені майже повністю. Досить звернути радій в звичайну писальний папір, щоб поглинути всі альфа-промені. Альфа-промені сильно поглинаються повітрям. Шар повітря товщиною всього лише в 7 см поглинає альфа-промені радію майже без остачі.

Бета-промені поглинаються речовиною значно слабкіше. Вони в здатні ще в помітній кількості пройти через пластинку алюмінію завтовшки в декілька міліметрів.

Гамма-промені поглинаються у багато разів слабкіше бета-променів. Вони проходять через пластинку алюмінію товщиною в кілька десятків сантиметрів. Платівка свинцю товщиною в 1,3 см послаблює інтенсивність гамма-променів всього лише в два рази.

Крім розбіжності у ступеня поглинання, між альфа-, бета-і гамма-променями існує велика відмінність в характері поглинання. Найбільш виразно вона проявляється у зміні інтенсивності цих променів при поступовому зростанні товщини поглинаючого речовини. Бета-і гамма-промені поглинаються поступово. Вже самі невеликі шари речовини в деякій мірі поглинають ці промені. Число електронів та інтенсивність гамма-променів поступово падають зі збільшенням товщини шару, що фільтрує.

Альфа-промені поводяться зовсім інакше. При проходженні через малі шари речовини число альфа-часток не змінюється. Зменшується лише енергія цих часток. Із зростанням товщини поглинаючого шару енергія частинок продовжує зменшуватися, але число їх зберігається. Так буде відбуватися до тих пір, поки товщина поглинаючого шару не досягне деякої певної величини. Фільтр такої товщини затримає відразу всі альфа-частинки.

Таким чином, кожна альфа-частинки проходить в даний ном речовині цілком певний шлях. Цей шлях прийнято називати пробігом альфа-частинки. Пробіг альфа-частинки залежить від її енергії і від природи речовини, в якому вона рухається. Встановивши зв'язок між пробігом і енергією альфа-частинок, можна надалі за величиною пробігу визначати енергію альфа-часток. Таким методом вимірювання енергії альфа-часток широко користуються на практиці.

Сильне поглинання альфа-частинок може бути використано для вивчення їх властивостей.

Якщо взяти радіоактивну речовину у вигляді кульки, то альфа-промені, що виходять з усього обсягу цієї кульки, поглинаються в самому кульці. Лише дуже тонкий поверхневий шар цієї речовини випускає альфа-промені, здатні вийти назовні. Тому поза такою кульки повинні спостерігатися головним чином бета-і гамма-промені. Якщо ж радіоактивна речовина розподілити дуже тонким шаром, то будуть діяти майже-в однаковій кількості всі три роди променів.

Порівнянням дії радіоактивних променів від товстого радіоактивного джерела з дією радіоактивного препарату, розподіленого у вигляді дуже тонкого шару, було встановлено, що саме альфа-промені відповідальні за те, що радіоактивні промені викликають люмінесценцію і роблять повітря провідником електрики.

Добре відомо, що повітря робиться провідником електрики в тому випадку, якщо в ньому утворюються заряджені атоми - іони. Альфа-промені іонізують повітря приблизно в сто разів сильніше, ніж бета-і гамма-промені від того ж радіоактивного джерела. Але на освіту іонів - на іонізацію повітря потрібна енергія. Було встановлено, що на утворення однієї пари іонів у повітрі потрібна цілком певна енергія, що дорівнює 33 електрон-вольт. Так як альфа-частинки утворюють багато іонів, то при своєму русі в повітрі вони витрачають велику кількість енергії. Цим і пояснюється описана раніше властивість альфа-променів сильно поглинатися різними речовинами.