Landsberg-1985-T3

(1859-1906), исследовала большую чысть известных эле­ ментов и многие их соединения с целью установить, не об­

ладают ли какие-либо из них радиоактивными свойствами. В своих опытах М. Кюри использовала в качестве признака радиоактивности способность радиоактивных веществ ио­

низовать воздух. Этот признак гораздо более чувствителен, чем способность радиоактивных веществ действовать на фо­ ТОП,1астинку. Ионизующее действие радиоактивного пре­ парата легко обнаруживается с помощью опыта, изображен­ Ного на рис. 376 (ср. том 11, § 92). ОПЫТЫ М. Кюри привели

l'следующим результатам.

3

13 объеме камеры ИОНИЗУЮЩIIМ излучением. соб!lраются на электроды, 11

через камеру течет ток, пропорциональный ионизационному действию

препарата. В от\:утствие ионизующих агентов воздух в камере является

непроводником, и ток равен нулю

1. Радиоактивность обнаруживают не только уран, но и все его химические соединения. Кроме того, радиоактив­ ные свойства были обнаружены еще у одного элемента -

тория и у всех его химических соединений.

2. Радиоактивность препарата с любым хиыичеСЮIМ со­

ставом равна радиоактивности чистых урана или тория, взятых в количестве, в котором они содержатся в этоы пре­

парате.

Последний результат 0значаl?Т, что свойства молекулы,

в состав которой входит радиоаКТПВIIыiI элемент, не влrrя­ ют на радиоактивность. Таким обраJОМ, радlLOОКПUlGlюсmь

представляет собой не .молеКlJлярное ЯGление, а внутреннее

свойсtrl80 ато_ное радиоактивного элеЛlеЮl1а.

Помимо чистых элементов !J их сосдннений, Кюри иссле­

довала также различные ПрИрОД!lые i\'!!!Нералы. Радиоак-

514

тивность минералов оказалась обусловленной присутстви­

ем в них урана или тория. при этом, однако, некоторые

минералы обнаружили неожиданно большую радиоактив­ ность. Так, урановая смоляная руда давала в четыре раза большую ионизацию, Чбl содержащийся в ней уран.

малом, что он ускользал от ХИМlIческого анализа. Несмот­

ря на малое содержание, этот элемент испускал больше ра­

диоактивного излучеНIIЯ, че;-.л присутствующнй в большом количестве уран. Следовательно, радиоактивность этого

элемента должна быть во много раз сильнее радиоактивности

урана.

Исходя из этих соображенни, Пьер и Мария Кюри

предприняли химическое выделение гипотетического эле­

мента из урановой смоляной руды. Контролем успешности

проводимых хюшческих операuпй служила радиоактив­

ность на единицу ;;IaCCbI получаемого продукта, которая

должна была расти по мере увеличения в Нб! содержаЕIIЯ нового элемента. После нескольких лет напряженной расоты действительно удалось ПОЛУЧIlТЬ несколько десятых ;ю,т:ей

грамма ч и с т о г о э л е м е н т а, радиоактивность ко­

торого более чем в МИЛ"lИОН раз превосходила радиоактив­ ность урана. Элеl\!ент этот получил название радий (т. е. лучистый).

По своим химическим свойствам радий (Ra) относится к щелочно-земельным металлам. АТО\1ная масса его оказа­

лась равной 226. На основании ХШ.шчеСКIIХ свойств II атом­

ной маСсы радий был помещен в дотоле пустовавшую клет­

ку .N2 88 периодической системы Менделеева.

Радий является постоянным спутником урана в РУJ,эх,

но содержится в ничтожных количествах - пример:о 1 г

радия на 3 т урана; ввиду этого добыча раДIIЯ представляет собой весьма трудоемкий процесс. Радий - один из са\1ЫХ

редких и дорогих металлов. Он ценlIТСЯ как концентриро­ ванный источник радиоактивных излучений.

Дальнейшие исследования Кюри и других ученых зна~

Чl!тельно расширили число известных радиоаКТIIВНЫХ эле~

ментов.

Все элементы с порядковым HOMepOYI, превышающим

83, оказались радиоактивными. Они были найдены Б виде

небольших примесей к урану, радию и торию *).

*) За исключением элементов с порядковыми номерами 85 н 87.

которые в естественном Биде не существуют,

Таким же образом были найдены р а Д и о а к т и в н ы е

и з о т оп ы элементов таллия (Z=81), свинца (Z=82) и висмута (Z=83). Следует отметить, что радиоактивны толь­

ко редкие изотопы этих элементов, примешанные к урану,

радию и торию. Обычные таллий, свинец и висмут нерадио­

активны.

Помимо элементов, образующих конец периодической

системы Менделеева, радиоактивными оказались также

элементы: самарий, калий, рубидий. РадиоаКТJ!l3НОСТЬ этих

элементов слаба и обнаруживается с трулом.

§ 212. а-, р- и I'-излучение. Камера Вильсона. Как мы ВII­

дели, радиоактивные излучения обладают ионизационныч и фотографическим деЙствие:-1. Оба этИ действия свойст­

венны как быстрым зар я ж е н н ы м частицам, так и

рентгеновскm.1У излучению, представляющим собой элек­

тромагнитные волны. Чтобы выяснить, обладает ли ра­

диоактивное излучение зарядом, достаточно подвергнуть

его действию электрического или магнитного поля.

Рассмотрим следующий опыт. В откачанную коробку

(рис. 377, а) перед узкой щелью в свинцовой перегородке 2

помещен радиоактивный препарат 1 (например, крупинка радия). Установим по другую сторону щели фотографичес­ кую пластинку 3. После проявления мы увидим на ней чер­

ную полоску - теневое изображение щели. Свинцовая

перегородка, следовательно, задерживает радиоактивные

516

лучи; и они проходят в виде узкого пучка через щель. По­

местим теперь коробку между полюсами сильного магнита

(рис. 377, б) и снова установим в положение 3 фотопластин­

ку. Проявив пластинку, обнаружим на ней уже не одну, а

т р и полоски, из которых средняя соответствует прямоли­

нейному распространению пучка из препарата через щель.

Таким образом, в магнитном поле пучок радиоактивного

излучения разделился на т р и составляющие, из которых

две отклоняются полем в противоположные стороны, а

третья не испытывает отклонения. Первые две составляю­ щие представляют собой потоки противоположно заряжен­ ных частиц. Положительно заряженные частицы получили название а-частиц или а-излучения. Отрицательно заря­

женные частицы называют ~-частицами или ~-излучением.

Магнитное поле отклоняет а-частицы несравненно слабее,

чем ~-частицы. Нейтральная компонента, не испытываю­

щая отклонения в магнитном поле, получила название

1'-излучения.

а-, ~- и у-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, в). Будем помещать между препаратом 1

ищелью экраны возрастающей толщины, производить

снимки В присутствии магнитного поля и отмечать, начиная

с какой ТОЛЩflНЫ экрана исчезнут следы лучей каждого

рода.

Оказывается, первым исчезает след а-частиц. а-частицы

полностью поглощаются уже листом бумаги толщины около

0,1 мм (рис. 377, в; 378, а). Поток ~-частиц постепенно ос­

лабляется с увеличением толщины экрана и поглощается

полностью при толщине алюминиевого экрана в несколько

миллиметров (рис. 378, б). Наиболее проникающим ЯВJIЯ­

ется у-излучение. Слой алюминия толщины 1 см почти не

ослабляет интенсивности у-излучения.

517

tlещества с большим атомным номером обладают значи­

тельно большим поглощающим действием для 'У-излучения;

вэтом отношении v-излучение сходно с рентгеновским.

Так, 1 см свинца (Z=82) ослабляет пучок v-излучения при­

мерно в два раза (рис. 378, в).

Различие в свойствах а-, ~- и v-излучений наглядно

проявляется в так называемой камере Вильсона - приборе для наблюдения путей быстрых заряженных частиц. Ка­ мера Вильсона (рис. 379) представляет собой стеклянный

Рис. 379. Камера Вильсона (упрощенная схема): 1 - стеклянный ци­ линдр, 2 - поршень, 3 - осветитель, 4 - фотоаппарат. Воздух над

поршием насыщен паром воды

цилиндр 1 со '2теклянной крышкой, в котором может пере­

мещаться поршень 2. Объем цилиндра над поршнем запол­

нен воздухом, насыщенным паром водь! (или спирта). При

резком опускании поршня воздух в камере охлаждается

вследствие быстрого расширения. Пар воды становится

пер е с ы Щ е н н ы м, т. е. создаются условия для конден­

сации пара на я Д р а х к о н Д е н с а Ц и и (см. том 1, § 300). В качестве ядер конденсации могут служить продук­ ты ионизации воздуха. Ионы поляризуют молекулы воды и притягивают их к себе, облегчая этим конденсацию. Ядра­

ми конденсации могут служить также частички пыли, но

при работе с камерой Вильсона воздух в ней тщательно

очищают.

Пусть пар в камере находится в состоянии пер 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 туман­ ные следы сбоку сильной лампой 3 (рис. 379), можно сфОТО-

518

графировать их через прозрачную крышку камеры. Такие фотографии изображены на рис. 380 и 381. С помощью этого

замечательного метода мы имеем возможность наблюдать

траекторию полета (след) о Д н о й - е Д и н с т в е н н о й

Рис. 380. Следы а- и ~-частиц в камере Вильсона. Частицы испуска­

ются радиоактивным препаратом, помещенным в нижней части камеры: а) а-частицы: камера в магнитном поде 4,3 Тл, направленном перпенди­

кулярно плоскости рисунка от нас; 6) ~-частицы: магнитное поле

0,0215 Тл направлено на нас

схили ~-частицы. Туманные следы существуют в камере не­

долго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок

камеры, и капли испаряются. Чтобы получить новые С.'Iеды,

необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электри­

ческого поля, сжать воздух поршнем, выждать. пока воз­

дух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и про­

извести 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) и дМИТРИЙ Владимирович Скобель­ цын (р. 1892). Магнитное поле искривляет траектории частиц (рис. 380). Направление изгиба следа позволяет

519

судить о знаке заряда частицы; измерив радиус траектории,

можно определить скорость частицы, сели известны ее масса

и заряд (см. § 198).

Длина следов c:<:-чаСТИI1 в воздухе при атмосферном дав­

лении составляет около 5 см и много меньше длины следов

10-.=-----=. = 2.

. --1'--

Рис. 38]. Фотография следов в камере Вильсона, помещенной в маг­

520

На рис. 381 представлена камера Вильсона, помещеннCiЯ

в магнитное поле и облучаемая источником у-излучения.

Пучки у-излучения не отклоняются магнитным полем, и их

траектории в камере должны представлять собой прямые линии, исходящие из источника. Таких прямолинейных следов на фотографии нет. Следовательно, у-излучение не

оставляет на своем пути непрерывной цепочки ионизован­ ных ато~юв. Действие у-излучения на вещество сводится к peДKO~IY выбиванию из атомов электронов, которьш за счет энергии у-квантов сообщается большая скорость; эти элек­

троны затем производят ионизацию атомов среды. Траекто­

рии таких электронов, изогнутые магнитньш полем, видны

на рис. 381. Большинство электронов исходит из стенок ка­

:\lepbI.

ОтмеТИ~l в заключение, что БОЛЬШIlНСТВО радиоактивных

веществ излучает только один род частиц - либо а-ча­

стицы, либо ~-частицы. Испускание частиц часто (но не всегда) сопровождается испусканием y-излучеНIIЯ.

§ 213. Способы регистрации заряженных частиц. В разви­

тии знаний о «микромире», В частности в изученпи явленпй 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 ато:\шых размеров. Одним из таких замечательных приборов является к а м е р а В и л ь с о н а, делающая ВИДIНIЫ;\Ш траектории отдель­

ных быстродвижущихся заряженных частиц (§ 212). Дру­ гой прибор этого рода. с примитивной формой которого мы познакомились в это - так называБIЫй. счетчик сцинтилляциЙ.

При бомбардировке некоторых люминесцирующих ве­

ществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряжен­

ными частицами наблюдается, что заметная доля энеРГIlИ

тормозящихся в них заряженных частиц превращается в

видимый свет: попадание быстрой заряженной частицы на

слой такого вещества вызывает кратковременную вспышку света, называемую сцuнmuлляцuеЙ. Яркость вспышки осо­ бенно велика в случае а-частиц, так как а-частица тормо­

зится на пути длины менее 0,1 мм, и выделяющаяся световая энергия оказывается сосредоточенной в ничтожном объеме.

Сцинтилляции, вызываемые а-частицами в экране из сер­

нистого цинка, могут быть обнаружены глазОм. Прос:гейший

помощи глаза) способ наблюдения сцинтилляций крайне

521

утомителен. в настоящее время для счета сцинтилляций пользуются особо чувствительными фотоэлементами (см.

§ 185) - так называемыми фотоэлектронными умножите­

ля.ми, изобретенными советским физиком Л. А. Кубецким. Сцинтилляции, производимые В- и у-частицами, гораздо

слабее свечения, вызываемого а-частицами; они недоступны

глазу, и регистрация их производится только С помощью

чик вызывает в нем кратковременную вспышку газового

разряда. При этом по цепи счетчика проходит кратковре­ ~:енный юшульс тока. Если сопротивление R достаточно

велико (- 1000 МОМ), то потенциаJ1 нити сохраняется сни­

ж енныы в течение нескольких МИJIлисекунд, и ЭТОТ импульс

можно обнаружить по отбросу чувствительного элсктромет­ ра 4. На практике импульс тока, вызванный прохождеIlием

заряженной частицы через счетчик, усиливают тр:шзистор­

ным или электронно-ламповым усилителем и реГИСТрllрУЮТ по передвижению стрелки присоединенного к УСИЛIJтелю

*) детекторы частиц, состоящие из слоев люминисцнрующего IJ~­ щества и фотоумножителей, могут регистрировать одиночные заряжен­ ные частицы. Такие приборы - сцuнmuлляцuоftные счеП1'ЩКll - полу­ чили очень широкое распространение. Современные эксперименталыше установки включают в себя сотни !I даже тысячи таких СЦИНТИЛJIЯЦllOН­ ных счетчиков (см. гл. XXVI).

522

Рис. 383. Газоразрядный счетчик:

1 - анод счетчика (тонкая нить),

2 -катод (металлический цилиндр),

3 - ИЗЩIЯТОРЫ, 4 - электрометр

для регистрации разрядов в счетчи­

ке_ При разряде на нити счетчика

скаш:шваются Э,1еКТРОIIЫ и потен­

циал ее снижается. По окончании

разряда потенциал нити восстанав­

ливается б,~агодаря притоку заря­

дов от батареи через сопротивление

электрm.lагнитного нумератора (рис. 384) или с помощью

электронного п'Ифрового индикатора.

Рассмотрим подробнее механизм действия газоразрядного счетчи­ ка. Счетчик представляет собой два коаксиальных цилиндра, и потому э.~ектрическое поле в нем неоднородно (см. том 11, § 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 оказыва­

ется достаточно большой, чтобы сообщать медленным электронам ско­ рость, необходимую для ионизации газа.

z

Рис. 384. Схеыа установки для регистрации радиоактивных излучений

с ПОМОщью газоразрядного счетчика: 1 - газоразрядный счетчик,

2 - УСИ.1lпель, 3 - электромагнитный нумератор, R~ 1 МОм.

Пусть где-.lш60 в объе\lе счетчика образовался свободный медлен­

ный электрон (например, в резудьтате ионизации газа под действием бы­ строй частицы, проnетаlOщей через счетчик). ЭТОТ электрон будет дви­ гаться к ПОЛОЖlпе;lЬНО зарпженной нити и в об.lасти сильного поля вбди­

эи нити начнет ионизовать атомы газа. Электроны - продукты иониза­

ции - ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, да­

вая начало новым и новым электронам и новой ионизации*).

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 K<:IK тяжелые

*) Положительные ионы приобретают в электрическом по.lе счет­ ЧlIка такую же энергию, как и электроны, но бдагодаря много большей массе скорость пх настолько мада, что ионизующим действием поло­ жительных ионов можно праКТИ'lески пренебречь,

523