Лекция 16. (2 часа) Радиоактивность

(Состав и характеристики атомных ядер. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерные силы. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Правила смещения при радиоактивных распадах. Законы сохранения при ядерных реакциях.)

Радиоактивность

Явление радиоактивности в 1896 году обнаружил А.Беккерель. Суть ее заключалась в том, что соли урана люминесцировали без предварительного облучения светом. Причем люминесценция урана обладала удивительным свойством: лучи, излучаемые ураном, были невидимы для глаз, но действуют на фотопластинку; лучи проникают даже сквозь плотную бумагу.

Дальнейшее изучение этого явления связано с именами Пьера и Мари Склодовская-Кюри. Они установили, что кроме самого урана излучают еще радий и полоний. Резерфорд установил, что излучение состоит из трех компонент.

1). -лучи.

-лучи состоят из корпускул, интенсивность их излучения частиц в секунду. Заряд -частиц положителен и равен двум элементарным зарядам электрона . Масса -частиц оказалась равной массе иона , т.е. равна массе ядра атома гелия. Тождественность -частиц и гелия доказана прямыми опытами.

-частицы обладают большой энергией. Двигаясь в веществе, они ионизируют атомы и теряют свою энергию. Поэтому, пройдя определенный путь ‑ называемый пробегом ‑ -частицы останавливаются. Выражение для энергии -частиц можно представить как

где ‑ энергия ионизации одного атома, ‑ число ионизированных атомов. Экспериментальные измерения дают для . Такая же цифра получается и при калориметрических измерениях. Так, Кюри установил, что радия выделяет в час теплоты. Отсюда

Кроме того, было показано, что энергия -частиц представляет собой своеобразный спектр, но об этом мы подробнее остановимся дальше.

2). - лучи.

Измерения показали, что - лучи являются электронами больших энергий:

Спектр -частиц не линейчаты, а сплошной:

Средняя энергия - частиц равна примерно одной четверти от максимальной:

Величина максимальной энергии -частиц является характерной константой для данного вещества. Т.к. скорость -частиц очень велика, то все расчеты с -частицами необходимо производить по точным формулам теории относительности.

Вследствие малой массы -частицы при прохождении через вещество могут сильно рассеиваться. И траектория отдельной частицы имеет очень извилистый характер.

Кроме того, опять же вследствие малой массы, -частицы производят меньше ионизации на своем пути и глубже проникают в вещество.

3). -лучи.

Огромная проникающая способность, отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях указывают на их аналогию с рентгеновскими лучами. Удалось наблюдать дифракцию -лучей и определить их длину волны. Оказалось, что длина волны -лучей составляет:

Т.е. в десятки раз меньше, чем у рентгеновских лучей. Энергия -лучей составляет величину, порядка:

Методы регистрации радиоактивного излучения

Для регистрации и наблюдения различных радиоактивных частиц служат различные приборы и установки.

1. Сцинтилляционные счетчики.

С цинтилляционные счетчики представляют собой систему, состоящую из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), электрического усилителя импульсов и регистрирующего (пересчетного) механизма ‑ электромеханического счетчика (см. рис. 1). Фотоэлектронный умножитель представляет собой прибор, преобразующий слабые световые сигналы в электрические. Передний торец ФЭУ представляет собой прозрачную поверхность, на внутренней стороне которой нанесен слой сцинтиллятора дающего вспышку света при попадании ионизирующей частицы. Далее расположен слой вещества, обладающего свойством фотоэффекта. Под действием вспышки света с поверхности этого вещества вырывается электрон. Затем расположена система вторичных электродов ‑ динодов. Напряжение каждого динода на 50 – 100 В выше, чем у предыдущего. Кроме того, каждый динод обладает свойством вторичной электронной эмиссии ‑ под действием падающего электрона вышибается еще несколько электронов. Таким образом, в районе последнего динода (их всего 15 -20) образуется достаточно большое число электронов, т.е. значительный электрический ток. Чувствительность фотоумножителя такова, что он может регистрировать отдельный фотоэлектрон.

Электрический импульс, возникающий в ФЭУ при попадании отдельной ионизирующей частицы, усиливается далее усилителем, а затем регистрируется с помощью электромеханического счетчика.

Таким образом, с помощью этого устройства мы можем считать число импульсов (частиц) за какой угодно интервал времени.

2. Счетчик Гейгера-Мюллера.

С четчик Гейгера представляет собой тонкостенную металлическую трубку, по оси которой натянута проводящая нить (см. рис. 2). Между стенкой трубки и центральной нитью приложено напряжение порядка тысячи вольт. В трубке находится газ под пониженным давлением (100 ‑ 200 мм рт ст). Ионизирующая частица проникает через поверхность трубки и вызывает ионизацию газа. Электроны под действием поля движутся к центральной нити. Поскольку нить малого диаметра, напряженность электрического поля у ее поверхности очень велика, поэтому у ее поверхности возникает коронный разряд, быстро распространяющийся по всей длине нити. В результате возникает импульс тока, который регистрируется соответствующим устройством.

Для счета -квантов трубку делают стеклянной, а внутреннюю поверхность покрывают тонким слоем металла.

Для счета -частиц трубку делают толстостенной, а торец покрывают тончайшей фольгой.

3 . Камера Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с поршнем (см. рис. 3). При резком опускании поршня происходит адиабатическое расширение и охлаждение газа. Пары жидкости переходят в пересыщенное состояние и легко конденсируются на ионах. Таким образом, если в этот момент через камеру пролетает частица, на ее пути образуются ионы, на которых конденсируются пары жидкости. По характеру следа можно определить тип частицы.

Следы хорошо видны. Они легко фотографируются и снимаются на кинопленку.

Можно усовершенствовать камеру Вильсона, комбинируя ее со счетчиком Гейгера или помещая в магнитное поле.

4. Толстослойные фотоэмульсии. Пробег частицы в фотоэмульсии не превышает нескольких десятых миллиметра, вследствие большой плотности фотоэмульсии. Поэтому, если фотопластинку сделать толстой, то в ней уложится весь трек частицы.

Для частиц очень больших энергий применяют стопки фотопластинок.