Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 23. Радіоактивність. Радіоактивні випромінювання

У XXI ст. навряд чи знайдеться доросла людина, яка хоча б раз у житті не зробила рентгенівський знімок. А от наприкінці XIX ст. зображення руки людини з видимою структурою кісток (рис. 23.1) обійшло шпальти газет усього світу, а для фізиків стало справжньою сенсацією. Учені розпочали дослідження рентгенівських променів і пошук їхніх джерел. Одним із таких учених був французький фізик А. Беккерель (рис. 23.2). Якими несподіваними висновками закінчилося його дослідження, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

Рис. 23.1. Перший рентгенівський знімок руки людини

Рис. 23.2. Анрі Антуан Беккерель (1852-1908) — французький фізик, у 1896 р. відкрив радіоактивне випромінювання солей Урану

1. Дізнаємося про історію відкриття радіоактивності

Із відкриття рентгенівських променів почалася історія відкриття радіоактивності, й допоміг у цьому випадок.

Поштовхом до досліджень стало припущення вчених, що рентгенівські промені можуть виникати під час короткотривалого світіння деяких речовин, опромінених перед тим сонячним світлом*. До таких речовин належать, наприклад, деякі солі Урану. Такою сіллю і скористався А. Беккерель, щоб перевірити зазначене припущення.

Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, учений узяв загорнуту в чорний папір фотопластинку**, поклав на неї крупинки уранової солі й на кілька годин виніс фотопластинку на яскраве сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці виявилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Таким чином було з’ясовано, що уранова сіль дійсно випускає випромінювання, яке має велику проникну здатність і діє на фотопластинку.

* Таке світіння називають флюоресценцією.

** Фотопластинка — скляна пластинка, вкрита чутливою до випромінювання речовиною.

Альберт Ейнштейн порівнював відкриття радіоактивності з відкриттям вогню, оскільки вважав, що вогонь і радіоактивність — однаково значущі віхи в історії людства.

Беккерель вирішив продовжити дослідження й підготував дослід, який дещо відрізнявся від попереднього. Проте вченому завадила похмура погода, і він із жалем поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через кілька днів, так і не дочекавшись появи сонця, учений вирішив про всяк випадок проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло тут ні до чого, і сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, випускає невидиме випромінювання, якому не є перешкодою навіть шар міді!

Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням (від латин. radio — випромінюю, activus — дієвий); здатність речовин до радіоактивного випромінювання — радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, — радіонуклідами.

2. Дізнаємося про радіонукліди

«Чи тільки Уран випускає “промені Беккереля”?» — саме з пошуку відповіді на це запитання почала свою роботу з вивчання радіоактивності М. Склодовська-Кюрі (рис. 23.3). Ретельно перевіривши на радіоактивність практично всі відомі на той час елементи, вона виявила, що радіоактивні властивості має також Торій. Крім того, М. Склодовська-Кюрі та її чоловік П. Кюрі (рис. 23.4) відкрили й нові радіоактивні елементи, зокрема Полоній і Радій.

Рис. 23.3. Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) — французький фізик і хімік (походила з Польщі), лауреат двох Нобелівських премій. Такої честі за всю історію були удостоєні тільки троє дослідників

Рис. 23.4. П'єр Кюрі (1859-1906) — французький фізик, лауреат Нобелівської премії

Поміркуйте, що підштовхнуло подружжя Кюрі назвати елементи саме так.

Згодом виявили, що радіоактивність є властивою всім без винятку нуклідам хімічних елементів, порядковий номер яких більший за 82 (Z > 82). Проте й всі інші елементи мають радіоактивні нукліди (природні або одержані штучно).

3. Вивчаємо склад радіоактивного випромінювання

Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що радіоактивні речовини можуть випромінювати промені трьох видів: позитивно заряджені частинки (α (альфа)-випромінювання), негативно заряджені частинки (β (бета)-випромінювання) і нейтральні промені (γ (гамма)- випромінювання). На рис. 23.5 зображено схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями.

Рис. 23.5. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання

Згадайте, напрямок руху яких частинок прийнято за напрямок електричного струму, та, скориставшись рис. 23.5 і правилом лівої руки, переконайтеся, що α-частинки мають позитивний заряд.

Найбільший внесок у вивчення α-випромінювання зробив Е. Резерфорд. Учений одним із перших з’ясував, що α-випромінювання — це потік ядер атомів Гелію (42He), які рухаються зі швидкістю порядку 107 м/с. Заряд α-частинки дорівнює двом елементарним зарядам: qα = +2|е| ≈ +3,2 • 10-19Кл.

β-випромінювання, як і α-випромінювання, відхиляється магнітним полем, але в протилежний бік. Виявлено, що β-випромінювання — це потік електронів (0-1е), які летять із величезною швидкістю (наближеною до швидкості поширення світла).

Сподіваємося, що вам не складно буде записати заряд і масу β-частинки.

Вивчення γ-випромінювання показало, що це електромагнітні хвилі надзвичайно високої частоти (понад 1018 Гц). Швидкість поширення цих хвиль у вакуумі становить 3 • 108м/с.

4. Захищаємося від радіоактивного випромінювання

У більшості людей слово «радіація» асоціюється з небезпекою. І це, безумовно, правильно. Радіоактивне випромінювання не фіксується органами чуття людини, проте відомо, що воно може призвести до згубних наслідків. Від впливу радіації можна захиститися, побудувавши на шляху випромінювання перешкоду.

Види радіоактивного випромінювання

α-частинки — ядра атомів Гелію

β-частинки — швидкі електрони

γ-промені — високочастотне (короткохвильове) електромагнітне випромінювання

Простіше за все захиститися від α- і β-випромінювань. Хоча α- і β-частинки летять із величезною швидкістю, їх потік легко зупиняє навіть тонка перешкода. Як показали експерименти, достатньо тонкого аркуша паперу (0,1 мм), щоб зупинити α-частинки; β-випромінювання повністю поглинається, наприклад, алюмінієвою пластинкою завтовшки 1 мм (рис. 23.6).

Рис. 23.6. Захист від радіоактивного випромінювання

Найважче захиститися від γ-випромінювання — воно проникає крізь доволі товсті шари матеріалів. В окремих випадках для захисту від γ-випромінювання необхідні бетонні стіни завтовшки кілька метрів.

5. Даємо означення радіоактивності

Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень ядер атомів. Причому ці перетворення відбуваються довільно (без жодних причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску й температури, дія магнітного та електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо.

Радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.

Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. З’ясовано, що радіоактивні перетворення підпорядковуються так званим правилам зміщення.

1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший від порядкового номера вихідного елемента (рис. 23.7):

AZX → 42He + A-4Z-2Y.

Рис. 23.7. Під час α-розпаду материнське ядро спонтанно розпадається на дві частини: α-частинку і дочірнє (нове) ядро

2. Під час β-розпаду кількість нуклонів в ядрі не змінюється, при цьому кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 23.8):

AZX → 0-1e + AZ+1Y.

Рис. 23.8. Під час β-розпаду один із нейтронів материнського ядра перетворюється на протон і електрон; електрон випромінюється, а протон залишається в ядрі (утворюється нове ядро)

Відомо, що Радон (22286Rn) є α-радіоактивним. Ядро якого елемента утвориться в результаті α-розпаду Радону?

*6. Дізнаємося про радіоактивні ряди

Виходить, що після пояснення радіоактивності мрія алхіміків Середньовіччя про перетворення речовин на золото здійснилася? Насправді — ні. Учені з’ясували, що вихідне (материнське) ядро атома радіоактивного елемента X може зазнавати цілої низки перетворень: ядро атома елемента X перетворюється на ядро атома елемента Y, потім на ядро атома елемента Z і т. д., однак у цьому ланцюжку не може бути випадкових «гостей».

Сукупність усіх ізотопів, які виникають у результаті послідовних радіоактивних перетворень даного материнського ядра, називають радіоактивним рядом. Один із ланцюжків таких перетворень подано на рис. 23.9. Виявлено, що існують чотири радіоактивні ряди, які об’єднують усі відомі в природі радіоактивні елементи: ряд Торію (починається з Торію-232), ряд Урану-Радію (починається з Урану-238); ряд Урану-Актинію (починається з Урану-235); ряд Нептунію (починається з Нептунію-237).

Рис. 23.9. Радіоактивний ряд Торію. Ряд починається з Торію-232, який зустрічається в природі, і закінчується Плюмбумом-208, який є стабільним (не радіоактивним)

Підбиваємо підсумки

Радіоактивне випромінювання відкрив французський фізик А. Беккерель.

Більшість існуючих у природі та штучно отриманих нуклідів є радіоактивними: їхні ядра довільно розпадаються, випромінюючи мікрочастинки та перетворюючись на інші ядра.

Види радіоактивного випромінювання

α-частинки

β-частинки

γ-промені

потік ядер Гелію

потік електронів

електромагнітні хвилі

vα порядку 107 м/с

vβ близько 3 • 108 м/с

vγ = с = 3 • 108 м/с

qα = +2е

qβ = -е

не заряджені

затримуються аркушем паперу завтовшки 0,1 мм

затримуються листом алюмінію завтовшки 1 мм

затримуються шаром бетону завтовшки декілька метрів

Контрольні запитання

1. Як було відкрито явище радіоактивності? 2. Наведіть приклади природних радіоактивних елементів. 3. Опишіть дослід із вивчення природи радіоактивного випромінювання. 4. Які види радіоактивного випромінювання ви знаєте? 5. Якою є фізична природа α -; β-; γ-випромінювання? 6. Як захиститися від радіоактивного випромінювання? 7. Наведіть означення радіоактивності. 8. Що відбувається з ядром атома під час випромінювання α-частинки? β-частинки?

Вправа № 23

1. Які види радіоактивного випромінювання діяли на фотопластинку в дослідах А. Беккереля? Розгляньте два випадки: а) крупинки солі Урану покладено безпосередньо на чорний папір, у який загорнута пластинка; б) сіль Урану покладено на мідний хрест, який, у свою чергу, покладено на загорнуту в чорний папір фотопластинку.

2. Довжина хвилі γ-випромінювання у вакуумі 0,025 нм. Визначте її частоту.

3. Скориставшись рис. 23.9, запишіть кілька рівнянь реакцій розпаду, характерних для радіоактивного ряду Торію-232.

4. Під час природного радіоактивного розпаду радію (22888Ra) із його ядра випускається β-частинка. На ядро якого елемента перетворюється при цьому ядро атома Радію? Запишіть рівняння реакції.

5. Визначте масу α-частинки, знаючи, що маса протона і маса нейтрона приблизно дорівнюють 1,7 • 10-27 кг. Якою є кінетична енергія α-частинки, якщо вона рухається зі швидкістю 1,5 • 107 м/с?

6. «Все є отрута, і все є ліки, — це залежить від дози». Ця фраза належить відомому лікарю епохи Відродження Парацельсу (справжнє ім’я — Філіп Авреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгайм (1493-1541)). Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, як шкідливе радіоактивне випромінювання використовують для лікування хворих.

7. Маємо 2 моль урану і 2 моль гелію. Скільки атомів у кожній речовині?

Фізика і техніка в Україні

Іван Павлович Пулюй (1845-1918) — український фізик, електротехнік, винахідник. Ще за 14 років до Вільгельма Рентгена він сконструював трубку, яка згодом стала прообразом сучасних рентгенівських апаратів. І. П. Пулюй набагато глибше за Рентгена проаналізував природу та механізми виникнення Х-променів (пізніше їх було названо рентгенівськими), а також на прикладах продемонстрував їх суть.

І. П. Пулюй одним із перших почав конструювати й виготовляти вакуумні пристрої. Широко відомою стала винайдена вченим люмінесцентна газорозрядна лампа, яка увійшла в історію техніки як «лампа Пулюя» (Pulujlampe). Знімки в Х-променях, виконані Пулюєм за допомогою цієї лампи, найчастіше відтворювались у європейських науково-популярних виданнях як неперевершені за якістю для ілюстрації застосування цих променів у медицині.

Одна із розробок ученого — запатентований винахід, який дав змогу використовувати лінію передачі змінного струму для одночасного телефонного зв'язку.

Ім'я І. П. Пулюя носить Тернопільський національний технічний університет. НАНУ заснувала премію імені Івана Пулюя — за видатні роботи в галузі прикладної фізики.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.