Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 102

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 102)

Такам обрааом, ага)р = 4Е. (2! 4.1) Из конденсатора частицы через щель 4 попадают в однородное маг. нитное поле В, линии которого псрпсндикулярны к плоскости чертежа. Описав в магнитном поле полуокружиость, частицы попадают на фотопластинку б в точке 77. После проявления место попадания частиц обнаруживается в виде темной полоски, Измеряя расстояние А)), находят радиус траектории частицы в магнитном поле.

Этот радиус г связан со скоростью и массой частицы соотношением (198.1) г = шо)4В. Решая это уравненае и )214.1) относительно о и т, нетрудно получить оЕ дгэ Вх гВ' рЕ 527 Измерения, принцип которых указан выше, приводят к следующим результатам. Масса )1-частицы совпадает с массой электрона *). Заряд р-частицы также совпадает с зарядом электрона, Мы приходим к выводу, что гз-частицы есть не ипо иное, как быстрые электроны, вылетающие из атомов радиоактивного вещества. Скорости р-частиц огромны н доходят до 0,99 скорости света. Соответственно энергия !)-частиц доходит до нескольких мегаэлектронвольт.

Масса а-частиц оказывается равной 4 а. е, и. Массой 4 а. е. м. и зарядом +2е обладает ядро атома г е л и я. Если а-частицы представляют собой ядра гелия, то замедлившиеся а-частицы должны присоединять к себе электроны и образовывать атомы гелия. Такое явление наблюдал Резерфорд. Он заключил радиоактивное вещество в стеклянную ампулу со стенками настолько тонкими, что все испускавшиеся препаратом а-частиць| 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-частицы являются быстродвижуи!имися ядрами гелия. Скорости а-частиц значительно меньше скоростей р-частиц и лежат в пределах 10 000 — 20 000 км)с. Кинетическая энергия а-частиц велика: 4 — !О МэВ. В результате столкновений с атомами среды энергия радиоактивного излучения превращается в конечном счете в тепло. Тепловое действие радиоактивного излучения легко обнаруживается калориметрическими опытами. 9 215. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения.

Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомнылти ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении а-частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение р-частиц доказывается химическими опытами. Если р-частицы испускаются ядрами, то р-радиоактивность должна приводить к изменению химической ") Масса частицы зависит от ее скорости (см. 4 )99). Поэтому более точно результат опыта по измерению массы ))-частиц следует сформулировать так: злектрон и Р-частица р а в н ой с ко р о от и обладают анной массой или: м а с с ы п о к о я злектроиа и р-частицы равны. случае а-частиц зта оговорка несущественна, так как скорость а-частиц мала по сравнению со скоростью света и измеряемая в опыте масса практически равна массе покоя а-частицы.

б26 природы атома. В самом деле, ))-электрон уносит из я д р а единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу, Ядро будет удерживать вокруг себя уже не 2, а 2+1 электронов; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. И действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих р-излучение, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на одну единицу превышающим порядковый номер р-излучателя.

Испускаиие а-частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами. Итак, испуская а- и ))-излучение, атомы радиоактивного элемента и з м е н я ю т с я, превращаясь в атомы н он о г о элемента. В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивнылт расладолт.

Различают а-распад— испускание сс-частиц, и ))-распад — испускание р-частиц '), Так как сс-частица уносит положительный заряд в две единицы и массу в четыре единицы, то в результате а-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число *") на четыре единицы меньше. Масса ))-частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы; поэтому испускание р-частицы не изменяет массового числа ядра.

Следовательно, в результате ))-распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу ббльшим и с тем же массовым числом. Эти правила, указывающие с м е щ е н и е эл ем е нт а в периодической системе, вызванное распадом, называются правилами смещения. Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение 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 в несколько лет. Существуег, *) При детальном изучении р-распада выяснилось, что в этом процессе вместе с ))-частицами излучается очень легкая нейтральная частица неиглрино 1см. б 231). В опытах, иллюстрируемых рис. 377, нейтрино ускользает от наблюдения, так как оно не обладает ии ионизациоиным, пи фотографическим действием.

**) Напомним, что ма с с оное ч и сл о атома или ядра — ато атомная масса, округленная до целого числа. ю' гтрр - оПО Рнс. 388. График спадания актнвносги А радиоактивного вещества ГсаЕ со временем 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, р-радиоактивный изотоп висмута с массовым числом 210, так называемый КаЕ (радий Е). КаЕ выделяется из радия, в котором присутствует в крайне малых количествах. Ничтожные по массе количества цаЕ легко обнаруживаются по интенсивному (1-излучени!о.

Измеряя периодически с помощью газоразрядного счетчика чис- ВЫ ло ()-частиц, испускаемых преур!т паратом )саЕ в единицу време- ни, мы обнаружим, что это чисЮй ло постепенно уменьшается. График спадания активности *) со временем приведен на рис. 388. Как видно из графика, по истечении 5 суток активность цаЕ равна г~, начальной, через 10 суток — '!, начальной, через 15 ! ! ! ! суток — г1а начальной и т.

д. т'сн7 За каждые 5 суток активность ! ! ! ! ! уменьшается вдвое. Но для тот юл юк юр т „т го, чтобы уменьшить активность вдвое, достаточно разделить препарат пополам. Следовательно, число атомов йаЕ уменьшается вдвое за каждые 5 суток. Интервал времени„ в тече- ние которого распадается п ол о в и н а атомов радиоактивного вещества, носит название периода г!олураспада. Таким образом, вещество, распад которого изображен на рис. 388, имеет период полураспада 5 суток. Пусть в начальный момент (г'=О) число атомов радиоактивного ве!цества равно Мю. Период полураспада этого вещества обозначим Т.

По истечении п периодов полураспада, т. е. в момент 1=пТ, число нераспавшнхся атомов равно, очевидно, М=йгю'2 ". Подставляя а!='аТ, получим М=М, 2-"г. (215, 1) Наш вывод соотношения (215.1) проведен для промежутков времени т, кратных периоду полураспада (т. е, для целых ') Акпюианосщаюо радиоактивного препарата называется число частиц, испускаемых препаратом в единицу времени, юзО и); можно доказать, однако, что оно справедливо и для любых й Соотношение (215.1), дающее зависимость числа и е р а с п а в ш и х с я радиоактивных атомов от времени, называется законом радиоактивного распада.

Период полураспада является одной из основных характеристик 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 периода полураспадаот внешних условий не должна быть для нас удивительной. Радиоактивный распад есть свойство а т о м н ы х я д е р, а для изменения атомного ядра энергия обь|чных земных воздействий недостаточна (й 208). Измерение периода полураспада к о р о т к о ж и в ущ 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 единицу времени (равное числу испускаемых за это время частиц), и зная полное число атомов в образце. Действительно, доля числа атомов, распадающаяся за некоторое время, зависит от периода полураспада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распад и тем большая доля атомов расла- дается за то же время.

Измерения такого рода дают для периода полураспада р а д и я величину 1500 лет. Естественно, что за промежутки 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 полному исчезновению. Очевидно, в природе наряду с распадом происходит образование новых атомов 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 атомов радия служит радиоактивный р а с п а д у р ан а. Уран является а-радиоактивныы веществом, т. е. испускает а-частицы. Период полураспада урана (точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по а-актпвности, составляет 4,5 миллиарда (4,5 10') лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Характеристики

Список файлов книги