Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
35
L
Рис. 5. Спинтарископ Крукса
В то же время отношение заряда к массе для а-частиц оказалось в тысячи раз меньше, чем для электронов, и даже в 2 раза меньше, чем для атомов водорода. Данное обстоятельство натолкнуло Резерфорда и его помощника Содди на мысль о том, что а-частицы являются, дважды ионизованными атомами гелия. В дальнейшем это предположение было подтверждено Резерфордом непосредственно: он обнаружил появление гелия в сосуде, в котором находился а-активный препарат.
Наконец, 7-излучение оказалось сродни обычному свету: это такие же электромагнитные волны (сгустки электромагнитных волн называют обычно фотонами или, в некоторых случаях, у-квантами), только очень короткие - их длина в десятки и сотни тысяч раз меньше длины световых волн! О том, как была измерена столь малая величина, будет рассказано в следующих главах. А пока вернемся к истории дальнейшего изучения радиоактивности.
После открытия Беккереля Пьер и Мария Кюри, Резерфорд и другие ученые обнаружили несколько новых радиоактивных элементов: радий, полоний, актиний, "благородный"газ радон и другие. Значит, радиоактивность — не исключительное свойство одного урана, а довольно распространенное явление. Более того, оказалось, что все элементы, стоящие в периодической таблице за свинцом, радиоактивны и среди них — давно известный металл торий. Таким образом, делая колпачки для газовых ламп из окиси тория, люди имели дело с радиоактивным веществом, даже не подозревая об этом!
Очень скоро выяснилось, что ионизирующее излучение может не только засвечивать фотопленку, но и оказывать другие виды воздействия на вещество. Так, в некоторых веществах при попадании а-частиц возникали вспышки света, правда, очень слабые, но все же видимые в темноте простым глазом. Для наблюдения таких вспышек, или, как их обычно называют, сцинтилляций, Крукс предложил простой прибор — спинтарископ (рис. 5). Он представляет собой небольшую круглую коробочку, донышко которой покрыто изнутри слоем сернистого цинка, верх заменен обычной линзой, а между линзой и
36
сернистым цинком находится игла, на острие которой помещено небольшое количество радиоактивного вещества. Под действием летящих с иголки а-частиц в сернистом цинке возникают сцинтилляции, которые и наблюдаются через линзу. В течение многих лет такой прибор широко использовался для изучения свойств ионизирующего излучения. Затем обнаружилась способность этого излучения к биологическим воздействиям. В этом убедились на собственном опыте Пьер Кюри и Беккерель, получив ожоги от ампул с радиоактивными веществами, которые они носили с собой в кармане.
Природа радиоактивности долгое время оставалась неясной. Первые сведения на этот счет были получены с установлением природы а-частиц. Далее оказалось, что в ампуле, содержащей радий, одновременно с гелием появляется еще один элемент — радиоактивный газ радон. Если радон отделяли от радия, то он быстро исчезал, а вместо него в сосуде появлялись новые элементы — полоний, актиний и другие. Отсюда следовал вывод о том, что радиоактивность связана с превращением атомов одних элементов в атомы других, или, как обычно говорят, с радиоактивным распадом атомов. Вот вам и "неделимый"!
Немного позже, в 1913 году, Фаянс и Содди уточнили, какие именно превращения элементов происходят при радиоактивном распаде. Оказалось, что при испускании а-частицы атом исходного элемента превращается в атом элемента, стоящего в периодической таблице на две клетки левее исходного, а при испускании j3-частицы происходит аналогичный сдвиг, но только на одну клетку вправо. Например, выбрасывая а-частицу, атом урана превращается в атом тория, а последний испускает 0-частицу и превращается в атом протактиния.
Возникающий при распаде элемент по отношению к исходному называется дочерним. Очень часто дочерние элементы сами оказываются радиоактивными, и тогда распад идет дальше. В результате возникает цепочка последовательных превращений, пока не получится атом стабильного элемента (обычно свинца). Такие цепочки называют радиоактивными семействами. В природе существуют три радиоактивных семейства, объединяющих все имеющиеся в естественных условиях радиоактивные элементы тяжелее свинца. В дальнейшем искусственным путем были получены элементы четвертого семейства.
Интересно было выяснить, как радиоактивный распад происходит во времени. Было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения урана, радия и тория практически не изменяется. В то же время радиоактивность радона исчезает
37
в течение нескольких дней. Так что же, распад радия и его дочернего продукта радона происходит по разным законам? Это предположение было крайне маловероятным. И в самом деле, в 1899 году Эльстер и Гейтель установили, что число атомов любого радиоактивного вещества уменьшается со временем по одному и тому же экспоненциальному закону. Другими словами, если N0 — число атомов в образце в начале опыта, то по прошествии времени t в образце останется только N атомов, причем
N=N0Q-7" =N0 ехр(-Хг),
где е « 2,718 — основание натурального логарифма. В этой формуле X называется постоянной распада. Каждое радиоактивное вещество характеризуется своим значением постоянной распада, причем чем оно меньше, тем медленнее происходит распад. Уран и радий распадаются настолько медленно, что даже в течение года чгіЬю их атомов практически не изменяется, а поэтому почти не изменяется и интенсивность излучения, тогда как радон распадается гораздо быстрее. О том, как измеряют скорость распада различных радиоактивных веществ, будет рассказано немного позже.
