§ 109. Радіоактивність

Одним з найбільш переконливих доказів складної будо­ви атомів стало відкрите у 1896 р. французьким фізиком А. Веккерелем явище природної радіоактивності. З цим

явищем ви вже частково ознайомилися в курсі хімії 10-го класу. Розглянемо його детальніше.

А. Беккерель вивчав свічення різних речовин після попереднього опромінення їх сонячним світлом. У ході цих досліджень він виявив, що солі урану без попереднього їх освітлення випускають промені, здатні іонізувати повітря, діяти на фотопластинку, викликати свічення ряду речовин. Перші ж дослідження показали, що це випромінювання має велику проникну здатність — проникає через тонкі металеві пластинки.

Беккерель досліджував уран і багато його солей як у твердому стані, так і в розчинах. У кожному випадку з'ясовувалось, що інтенсивність випромінювання пропор­ційна концентрації урану. Електронні оболонки урану в різних його хімічних сполуках неоднакові. Однак це не впливало на характер випромінювання. З цього факту можна було зробити важливий висновок, що властивість урану самодовільно випускати промені обумовлена лише структурою його ядра.

Чудовою властивістю виявленого випромінювання ви­явилася його самодовільність і сталість, повна незалеж­ність від зовнішніх умов: освітленості, температури, тиску, напруженості електричного й індукції магнітного полів тощо. Властивість самодовільно випускати випромінюван­ня була названа радіоактивністю, а речовини, які випу­скають таке випромінювання,— радіоактивними.

Пошуками радіоактивних речовин і дослідженням їх випромінювань відразу ж зайнялися багато вчених в усьому світі. Особливо плідною виявилася праця францу­зьких вчених П'єра Кюрі і його дружини Марії Склодов-ської-Кюрі. У 1898 р. вони відкрили два нові радіоактивні елементи — полонійі радій, радіоактив-

ність яких виявилася значно сильнішою, ніж в урану. Згодом з'ясувалося, що радіоактивними є ще багато еле­ментів: торій, актиній та інші — всього близько сорока.

Особлива увага приділялася установленню природи випромінювань радіоактивних елементів. Дослідження методом відхилення в магнітному полі, поставлені М. Скло-довською-Кюрі, а згодом Е. Резерфордом, показали, що ра­діоактивні елементи випускають три види випромінювань. Вони були названі умовно першими трьома літерами гре­цького алфавіту: альфа (гх)-, бета (Р)-, гамма (у)-промені.

Дослід щодо відхилення радіоактивних променів у маг­нітному полі проводився так. Радіоактивний препарат поміщався на дно вузького каналу (мал. 220), просвердле-

ного в шматку свинцю. Через тов­стий шар свинцю радіоактивне проміння не проходить, а вихо­дить лише вузьким пучком з каналу. Напроти каналу помі­щалася фотопластинка, а в про­сторі між свинцем і пластинкою (тобто на шляху випромінюван­ня) створювалося потужне маг­нітне поле, перпендикулярне до пучка (на мал. 220 індукція поля спрямована перпендикулярно до площини малюнка від нас). Уста­новка поміщалася в камеру, з якої відкачувалося повітря.

При відсутності магнітного поля радіоактивне випроміню­вання викликало почорніння пластинки в точці, розміщеній

точно проти каналу. При створенні магнітного поля пучок розпадався на три частини. Дві частини первин­ного потоку відхилялися в протилежні боки. Це неза­перечно вказувало на те, що ці частини є потоками елек­трично заряджених частинок протилежного знака. За напрямом відхилення в магнітному полі можна легко ви­значити знак заряджених частинок. Виявилося, що потік негативно заряджених частинок відхилявся в магнітному полі значно сильніше, ніж потік позитивно заряджених. Третя частина потоку не відхилялася магнітним полем, що свідчило про відсутність у неї електричного заряду. Позитивно заряджена частина потоку випромінювання дістала назву альфа-променів, негативно заряджених — бета-променів і нейтральна— гамма-променів.

Дальші дослідження привели до з'ясування фізичної природи альфа-, бета- і гамма-проміння.

Альфа-промені. Для з'ясування природи альфа-части­нок було експериментально визначено заряд однієї частин­ки і його відношення до маси частинки. Вимірювання показали, що заряд частинки додатний і в два рази пере­вищує заряд електрона, тобтоУ ре­зультаті дослідів щодо відхилення альфа-частинок в маг­нітному полі було визначено відношення заряду частинки

до її маси. За цими даними була визначена маса частин-

ки тп. Вона виявилася рівною масі двозарядного іона,

тобто ядра атома гелію.

Особливо наочно і переконливо була доведена тотож­ність альфа-частинок і ядер гелію у 1909 p. E. Резерфор­дом за допомогою дуже точного і наочного досліду. Ідея його була така. Скляна ампула з тонкими стінками за­повнювалась радіоактивним газом радономі по­міщалася у скляну посудину, в якій створювався високий вакуум. Альфа-частинки, випущені радоном, поглиналися стінками посудини і при цьому перетворювалися в атоми гелію, приєднуючи по 2 електрони кожна. Утворені атоми гелію виділялися із стінок посудини під час їх нагрі­вання. За кілька днів нагромаджувалося стільки гелію, що можна було здійснити спектральний аналіз одержа­ного газу. Аналіз показав, що спектр одержаного газу повністю збігається із спектром гелію. Цим підтвердилося, що альфа-частинки, випущені радоном, перетворювалися в гелій.

Характерною величиною альфа-частинок є їх енергія. Енергія альфа-частинок велика — порядку кількох міль­йонів електрон-вольт (швидкість порядку 10⁷ м/с). Різні радіоактивні речовини випромінюють альфа-частинни різ­ної енергії, однак усі альфа-частинки, випущені даною радіоактивною речовиною, мають цілком певну енергію. Найчастіше радіоактивна речовина випромінює не одну, а кілька груп альфа-частинок з цілком певним значенням початкової енергії.

Пролітаючи через речовину, альфа-частинка поступово втрачає енергію, іонізуючи молекули речовини, і, врешті, зупиняється. На утворення однієї пари іонів у повітрі затрачається в середньому 35 еВ. Таким чином, альфа-час­тинка утворює на своєму шляху приблизно 10° пар іонів. Природно, що чим більша густина речовини, тим менший шлях частинок до зупинки. Так, у повітрі при нормаль­ному тиску шлях частинки становить кілька сантиметрів. У твердій речовині шлях частинок складає усього кілька десятків мікрон (альфа-частинки затримуються звичай­ним аркушем паперу).

Бета-частинки. Вимірювання питомого заряду — для

бета-частинок за відхиленням їх у магнітному полі пока­зали, що воно точно таке саме, як і в електронів. Бета-промені і є потоком електронів, подібним до катодних променів. Відрізняються бета-промені від катодних лише

значно більшою енергією. Енергія бета-електронів мож< досягати кількох мільйонів електрон-вольт (швидкісті наближається до швидкості світла і в деяких випадках може досягати 0,999 с).

На відміну від альфа-частинок, бета-електрони даної радіоактивної речовини мають не одне значення енергії, а можуть мати енергію від 0 до деякого найбільшого зна­чення Е_т. Значення максимальної енергії Е_т є характерною сталою для даного хімічного елемента.

Внаслідок відносно малої маси бета-частинок, при проходженні через речовину можливе відхилення ЇХ на значний кут — розсіювання в різні боки. Траєкторії бета-частинок в речовині мають покручений вигляд, для них не існує певної довжини вільного пробігу. Все ж сумарна товщина шару, на яку бета-частинка проникає в речовину, в десятки разів перевищує пробіг альфа-частинок.

Гамма-промені. Відсутність відхилень в електричному і магнітному полях і величезна проникна здатність гамма-променів, які послаблюються і затримуються лише санти­метрової товщини свинцем, вказували на те, що за своєю природою ці промені аналогічні до рентгенівських. І справ­ді, за допомогою кристалічних решіток вдалося спостері­гати дифракцію гамма-променів і визначити їх довжину. Вона виявилася порядку 10~^НР м, тобто в десятки разів меншою, ніж у жорстких рентгенівських променів. Це означало, що їх квантові властивості проявляються ще більшою мірою, ніж в рентгенівських променів.

Природа радіоактивних випромінювань вказує на те, що їх причиною є самодовільний розпад атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випус­кають лише альфа-частинки, інші — бета-частинки. Є ра­діоактивні ядра, які випускають одні й другі частинки. Більшість ядер одночасно випускає і гамма-промені. В ра­діоактивних ядер, які одержуються штучно, спостеріга­ються й інші радіоактивні процеси, наприклад, виліт протонів або позитронів. Про штучні радіоактивні елементи мова піде пізніше.

? 1. Що розуміють під радіоактивністю? 2. Яким методом можна роз­ділити радіоактивне випромінювання на складові частики? 3. Яка фі­зична природа альфа-, бета- і гамма-випромінювання? 4. Що є причиною радіоактивних випромінювань?