Landsberg-1985-T3

ипотому малоподвижные ионы медленно движутся к цилиндру. Накоп­ ление электронов на нити снижает ее положительный заряд и все более

иболее уменьшает напряженность электрического поля у нити (рис. 385, б). Через короткое время (порядка микросекунды, т. е. миллион­ ной доли секунды) По.1е ослабляется настолько, что уже не сообщает

электронам нужной Д.1Я ионизации скорости. Ионизация прекращается, и начавшийся разряд о б рыв а е т с я.

0.) б) б)

Рис. 385. К механизму работы газоразрядного счетчика частиц (l - ци­ линдр счетчика, 2 - нить, диаметр которой преуве.'lичен): а) Счетчик

заряжен до рабочей разности потенциалов, при которой прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает в нем вспышку газового разряда. Изображены .'IШIИИ электрического поля в счетчике. Густота

линий, т. е. напряженность электрического поля, наиБЩlьшая у нити; б) поле в счетчике в момент самогашения разряда. Электроны, образо­ ванные при ионизации газа, собрались на нити и компенсируют часть ее положительного заряда. Положительные ионы продолжают двигать­ ся к цилиндру. Поле у нити ослаблено; в) поле в счетчике, ие присоеди­ ненном к батарее, ПОС.'Iе того как разряд погас и положительные ионы

дошли до цилиндра.

Если счетчик не подключен к батарее, то после разряда электриче­ ское поле в нем остается ослабленным, и новый разряд невозможен (рис. 385, в). В обычно же употребляемых схемах включения (рнс. 383

и 384) поле в счетчике быстро восстанавливается за счет притока зарядов

от батареи, к которой счетчик подключен через сопротивление R. Счет­ чик 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 спе­ циальном подборе газового заполнения счетчика и при не слишком боль­ шом напряжении на нем. При чрезмерном повышении напряжения в счетчике возникает негаснущий разряд, состоящий из непрерывно еле· дующих друг за другом вспышек описанного выше типа. Повторение

вспышек разряда вызывается электронами, которые выбиваются из ци­

линдра счетчика при попадании на него положительных ионов.

В счетчике Гейгера - Мюллера амплитуда и длительность импуль­

са тока, раЗБивающегося в результате лавинного процесса в газе, не за·

висит от природы и энергии регистрируемой заряженной частицы «под­ жигающей» счетчик (т. е. вызывающей этот лавинный процесс). Можно выбрать и другой режнм работы газоразрядного прибора - так назы­ ваемый пропорциональный режим. Если уменьшить напряжеиие, прило­

женное к счетчику, так чтобы .1аВИННЫЙ процесс не развивался очень

сильно и не переходил в разряд, то ЧIIСЛО пар ионов в этой «ограниченной

524

лавине» будет пропорционально начальной ионизации. Такие nроnор­

циОflаЛЬflые счетчики могут не ТО.1ЬКО регистрировать отдельные частицы,

но и измерять вызываемую ими ионизацию (Т. е. энергетические поте­ ри частицы в газе), что очень важно для идентификации частиц.

В последнее время широкое распространение получили так назы­

ваемые полупроводниковые детекторы. Такой детектор по существу

представляет собой ионизационную камеру (рнс. 376), в которой RОЗДУХ

заменен полупроводником. Использование кремния ИЮ, германия, со­

ответствующим образом обработанных, позволяет снизить темновой ток

(ток в отсутствие ионизующего излучения) до приемлемых для регистра­

ции ионизующего излучения значений величин. Преимуществом полу­ проводниковых детекторов является то, что, благодаря большой П.10Т­ ности вещества этих счетчиков, в них может быть поглощена большая

часть энергии ионнзующих излучений.

§ 214. Природа радиоаитивного излучения. 1. "У-излучение. По своим свойствам "У-излучение подобно рентгеновскому

излучению. Как и рентгеновское излучение, оно ионизует

воздух, ,J,ействует на фотопластинку и не ОТК.fюняется маг­ НИТНЫ;\I полем. При прохождении через кристаллы "У-излу­ чение, ПO,J.обно рентгеНОВСКО,>-IУ, обнаруживает дифракцию. Оба вида излучения тем сильнее поглощаются экранами, чем больше атомный номер вещества экрана. .

По проникающей способности "У-излучение некоторых

радиоактивных веществ значительно превосходит рентге­

новское излучеНllе, ИСПО.1ьзуемое в медицине и технике.

Но проникающая способность (или, как говорят, ж е с т­

к О С Т ь) рентгеновского IIзлучения возрастает с увеличе­

нием напряжения, ускоряющего электроны. При торможе­

нии электронов, ускоренных напряжением в несколько

чиллионов вольт, образуется reHTreHoBcKoe излучение, уже не уступающее по проникающей способности наиболее

жесткому излучению.

Совпадение всех свойств "У-излучения и жесткого рентге­

новского излучения доказывает их одинаковую природу .

Из прсдыдущего мы знаем, что рентгеновское излучение

является КОРОТКОВОЛНОВЬЕI1 электромагнитным излучением.

Следовательно, у-излучение также представляет собой

э л е к т р о м а r н и т н ы е n о л н ы, отличающиеся

очень малой длиной волны и, следовательно, очень большой

энергией квантов *). Как 11 другие ЭJIеJпроыагнитные излу­

чения, "У-излучение распространяется со скоростыо света,

525

ние 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 у-излуче­

ния различна у различных радиоактивных веществ: наблю­

даются у-кванты с энергией от десятка килоэлектронволы

(кэВ) до нескольких мегаэлектронвольт (МэБ); этому соот­

ветствует длина волны от 10-10 до 10-13 М.

2. а- II ~-частllЦЫ. Для установления природы а- и

~-частиц существенно измерить заряд и массу отдельной

чаСТИI\Ы.

ИЗ\lерение заряда в принципе весьма просто. Нужно не­

заuисимо ИЗ1lIерить заряд Q, переносимый пучком частиц за

электрометр и цилиндр счстчиком частиц 5 (рис. 386, 6) и сосчитывают

число частиц, проходящих через отперстие диафрагмы за время, равное B])(':v!CH1I измерения заряда. Для счста частиц в этом опыте могут БЬ!1Ь

ПРИМСIIСНЫ С Ч е т ч и к с ц и 11 Т И Л Л Я Ц И Й или г а з о раз р я д-

11 Ы Й счетчик, описанные в прсдыдуще~1 параграфе.

Опытами подобного рода было установлено, что а-части­

ЦЫ HCCIJf1l nоложитсльный заряд, равный дву.м элеменmарНЫ.~1 зарядалt. Заряд В-частиц оказался равным одНШrtУ ЭЛС,J,lен­ пzаРНОАty оmРUЦШnСЛЫ-lОАtУ заряду.

Измереllие массы а- и В-частиц оказывается зцачей

несколько более сложной, чем ИЗ~lерение массы ионов (см. § 198), так как скорость этих частиц неизвестна. Для частиц снеизвестной скоростыо опыт по отклонению в маГНJПНО\l

поле не позволяет определить н массу и скорость, но дает

526

лишь некоторое соотношение между ними. Другое такое

соотношение может быть получено, если произвести допол­ нительный 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, связы­

вающими 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 попа­ дает в узкий зазор между пластинами конденсатора 3, изогнутыми по ду­ ге окружности радиуса р. Сквозь зазор, в котором действует электриче­ ское поле Е, пройдут только те частицы, масса и скорость которых та­ ковы, что под действием этого поля их траектория будет окружностью

Рис. 387. Схема одновременного измерения скорости и массы заряжен­

радиуса р. Для этих частиц необходимое центростремительное ускорение rNp создает электрическая сила qЕ. Таким образом,

Из конденсатора частицы через щель 4 попадают в однородное маг­

нитное поле В, линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа.

Описав в магнитном поле полуокружность, частицы попадают на фото­ пластинку 5 в точке D. После проявления место попадания частиц об­ наруживается в виде темной полоски. Измеряя расстояние AD, находят радиус траектории частицы в магнитном поле. Этот радиус r связан со скоростыо и массой частицы соотношением (198.1)

r=mv/qB.

Решая это уравнение и (214.1) относительно V и т, нетрудно получить

рЕ

V=rB'

527

Измерения, принцип которых указан выше, приводят к следующим результатам. Масса ~-частицы совпадает с массой электрона *). Заряд ~-частицы также совпадает с

зарядом электрона. Мы приходим к выводу, что ~-частиЦbl есть не что иное, как быстрые электроны, вылетающие ИЗ атомов радиоактивного вещества. Скорости ~-частиц ог­ ромны и доходят до 0,99 скорости света. Соответственно

энергия ~-частиц доходит до нескольких мегаэлектрон­

Если а-частицы представляют собой ядра гелия, то за­ медлившиеся a-часТl!ЦЫ должны присоединять к себе элек­

троны и образовывать атомы гелия. Такое явление наблюдал Резерфорд. ОН заключил радиоактивное вещество в стек­

лянную ампулу со стенками настолько тонкими, что все

испускавшиеся препаратом а-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 а-части­

ЦЫ являются быстродвижущи.мися ядрами гелия. Скорости

а-частиц значительно меньше скоростей ~-частиц и лежат

в пределах 10 000-20 000 км/с. Кинетическая энергия

а..частиц велика: 4-10 МэВ.

Врезультате 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 превраще­ ния. Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактИ8ные излучения испускаются атомными ядра­ ми радиоактИ8НЫХ элементО8. Это очевидно в отношении

а-частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение ~-частиц доказывается химически­ ми опытами. Если ~-частицы испускаются ядрами, то ~-pa­

диоактивность должна приводить к изменению химической

*) Масса частицы зависит от ее скорости (см. § 199). ПОэтому более точно результат опыта по измерению массы ~-частиц следует сформули­

ровать так: электрон и ~-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 ~-частицы равны.

В случае а-частиц эта оговорка несущественна. так как скорость а-час­

тиц мала по сравнению со скоростью света и измеряемая в опыте масса практически равна массе покоя а-частицы.

528

природы атома. В самом деле, В-электрон уносит из я Д р а

единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положи­

тельный 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 ис­

следования обнаружили, что в веществах, испускающих

В-излучение, накапливаются атомы элемента с порядковым

номером, на одну единицу превышающим порядковый номер

~-излучателя.

Испускание а-частиц также изменяет заряд ядра и по­

тому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание пол­

ностыо подтверждается опытами.

Итак, испуская а- и В-излучение, атомы радиоактивного

элемента и з м е н я ю т с я, превращаясь в атомы н 0-

во г о элемента.

Вэтом смысле испускание радиоактивных излучений

называют радиоактивным распадом. Различают а-распад - испускание а-частиц, и В-распад - испускание В-частиц "').

Так как а-частица уносит положительный заряд в две

единицы и массу в четыре единицы, то в результате а-рас­

пада радиоактивный элемент превращается в другой эле­

мент, порядковый номер которого на две единицы меньше,

а массовое число **) на четыре единицы меньше. Масса

В-частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей

массы; поэтому испускание В-частицы не изменяет массового числа ядра. Следовательно, в результате В-распада радио­

активный элемент превращается в элемент с порядковым

номером, на единицу большим 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, называ­

ются правилами смещения.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьше­

ние 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 Б несколько лет. Существует,

*) При детальном изучении ~-распада выяснилось, что в этом про­

цессе вместе с ~-частицами излучается очень легкая нейтральная части­ ца нейтрино (см. § 231). В опытах, иллюстрируемых рис. 377, нейтрино ускользает от наблюдения, так как оно не обладает ни ионизационным,

ни фотографическим действием.

**) Напомним, что м а с с о в о е ч и с л о атома или ядра - зто

атомная масса, округленная до целого числа,

629

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, ~-радио­ активный изотоп в и с м у т а с массовым числом 210, так

называемый RaE (радий Е). RaE выделяется из радия, в ко­

тором присутствует в крайне малых количествах. Ничтож­ ные по массе количества RaE легко обнаруживаются по ин­ тенсивному ~-излучению. Измеряя периодически с помощью

Интервал времени, в тече-

ние которого распадается п 0-

л о в и н а атомов радиоактивного вещества, носит на­

звание периода полураспада. Таким образом, вещество, распад которого изображен на рис. 388, имеет период полу­ распада 5 суток. Пусть в начальный момент и=о) число атомов радиоактивного вещества равно N o• Период полурас­ пада этого вещества обозначим Т. По истечении n периодов

полураспада, т. е. в момент t=nT, число нераспавшихся

атомов равно, очевидно,

N=N o·2- n•

Наш ВЫВОД соотношения (215.1) проведен для промежутков времени t, кратных периоду полураспада (т. е. для целых

*) Активностью радиоактивного препарата называется число час­

тиц, испускаемых препаратом в единицу времени.

n); можно доказ'ать, однако, что оно справедливо и для

называется законо'м' радиоактивного распада.

Период полураспада является одной из основных харак­ теристик 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 пе­

риода 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 энер­

гия 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 которого интенсивность излучения спадает вдвое.

Период полураспада Д о л г о ж и в у Щ и х ядер можно

вычислить, измерив число атомов, распадающихся в еди­

ницу времени (равное числу испускаемых за это время час­

тиц), и зная полное число атомов в образце. Действительно,

доля числа атомов, распадающаяся за некоторое время, за­

висит от периода полураспада. Чем меньше период полурас­

пада, тем быстрее распад и тем большая доля атомов распа­

дается за то же время.

Измерения такого рода дают для периода полураспада

р а Д и я величину 1600 лет. Естественно, что за проме­ жутки времени порядка года убыль радия настолько мала,

что изменение его активности практически незаметно.

Из геологии известно, что возраст минералов измеряется миллионами лет. За промежутки времени геологического

масштаба распад радия должен был бы привести к его пол­

ному исчезновению. Очевидно, в природе наряду с расnадо.м происходит образование новых ато)иов радия. Тот факт, что

радий в с е г Д а содержится в урановых и т о л ь к о

в урановых рудах, наводит на мысль, что источником новых

ато""юв радия служит радиоактивный р а с п а д у р а­

на.

Уран является а-радиоактивным веществом, т. е. испу­

скает а-частицы. Период полураспада урана (точнее, основ­

ного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по a-аКТJIБНОСТИ, составляет 4,5 миллиарда (4,5·109) лет. Даже

по геологической шкале времени распад урана происходит

nесьма медленно.

531

сх-распад ядра 2:~И *) приводит, согласно правилам сме­

щения, к образованию ядра с зарядом 92-2=90 и массо­

испускающим ~-частицы. Продуктом ~-распада 2t~Th ока­ зывается "~~Pa - изотоп ЭЛeIl'lента про т а к т и н и я с атом­

ной массой 234, называемый иначе ИХ 2' Этот изотоп опять­ таки радиоактивен и т. д. Цепочка последовательных продуктов распада урана, так называемое радиоактивное се.меЙсmво урана, изображена на рпс. 389. Только после

14 следующих друг за другом распадов атом урана превра­ щается в нерадиоактивный или, как говорят, стабильный

изотоп свинца 2g~Pb.

Распад урана приводит в конечном счете к накоплению

свинца. И деЙствите.7JЬНО, 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

ограничивается их распадом. Чем м е н ь ш е период полу­ распада вещества, тем быстрее оно распадается и тем м е н ь­ ш е его содержание в материнском веществе (уране или радии).

Всякое радиоактивное превращение связано, как мы

знаем, с испусканием либо сх-, либо ~-частицы. Некоторые

превращения сопровождаются еще и у-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 изо­

топ урана 2~~И.

§ 216. Применения радиоактивности. 1. Биологические действия. Радио­

активные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм

этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внут­ ри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чув­ ствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для ле­

чения раковых опухолей.

*) Напомним, что числа, сопровождающие химический символ эле­

мента, означают: нижнее число - порядковый номер, верхнее число -

массовое число рассматриваемого изотопа,

5ЗЗ