Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 26. Радіоактивність, її природа і властивості. Період напіврозпаду радіонукліда

Відкриття радіоактивності в 1896 р. стало переворотом у науці. Французький фізик Анрі Беккерель досліджував фосфоресценцію (світіння) солей урану. Його цікавило, чи можуть відкриті незадовго до цього Х-промені (рентгенівські промені) випромінюватися тілами, у яких спостерігається явище фосфоресценції під дією сонячного опромінення. Беккерель піддав кристали солей урану сильному сонячному опроміненню і помістив їх на загорнуту в чорний папір фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній було видно контури зразка. «Очевидно, уранова сіль випромінює якийсь вид променів, які проходять крізь папір і засвічують фотопластинку. Цікаво, чи пов’язано це з фосфоресценцією?» - подумав учений.

Мал. 249

Одного похмурого дня, коли провести черговий дослід не вдалося, учений заховав препарат у шухляду. На загорнутій у чорний папір фотопластинці лежав мідний хрест, а на ньому - препарат з подвійного сульфату калію та урану. Проявивши пластинку, Беккерель несподівано помітив, що на ній утворився чіткий контур хреста. Отже, випромінювання відбувається в темряві і без попереднього освітлення солі урану сонячними променями.

Незвичайним було те, що вони подібно до Х-променів мають надзвичайну проникну здатність.

У 1898 р. П’єр Кюрі та Марія Склодовська-Кюрі після тривалої і наполегливої праці виділили з уранової руди нові хімічні елементи - Радій і Полоній (мал. 249), які подібно до Урану спонтанно (самочинно) випускали невидиме проміння, але в кілька тисяч разів інтенсивніше.

У 1899 р. Резерфорд досліджував проходження променів, які відкрив Беккерель, крізь сильне магнітне поле і встановив, що «випромінювання урану є складним і утворюється принаймні з двох різних видів». Він спостерігав, що пучок променів, який виходив із джерела, у магнітному полі розщеплювався: один з його компонентів відхилявся від початкового напрямку в один бік, а інший - у протилежний. Це означало, що промені переносять електричний заряд різних знаків. Той, що переносив позитивний заряд, відхилявся на менший кут і сильно поглинався, він назвав α-випромінюванням, а той, що переносив негативний заряд, відхилявся на більший кут і був більш проникним, - β-випромінюванням.

Важливою властивістю цього випромінювання виявилася його повна незалежність від зовнішніх умов: освітленості, температури, тиску, електричного й магнітного полів тощо. Властивість самочинно (спонтанно) випускати випромінювання назвали радіоактивністю, а речовини, які випускають таке випромінювання, - радіоактивними.

У 1900 р. французький учений Поль Війяр показав, що існує і третя складова випромінювання урану з незвичайною проникною здатністю, що не відхиляється в магнітному полі (мал. 250). За аналогією з двома попередніми складовими її було названо третьою літерою грецького алфавіту γ-випромінюванням. Резерфорд своїми знаменитими дослідами довів, що α-випромінювання складаються з відносно важких частинок, які виявилися ядрами атомів Гелію.

Мал. 250

Електрони, що летять з великою швидкістю, називають β-частинками, ядра атомів Гелію - α-частинками. γ-промені за своєю природою подібні до рентгенівських променів, видимого світла і радіохвиль, але мають значно меншу довжину хвилі і дуже велику проникну здатність.

Характерною ознакою α-частинок є їх дуже велика енергія. Радіоактивні речовини випромінюють α-частинки різної певної енергії. Найчастіше радіоактивна речовина випромінює не одну, а кілька груп α-частинок, кожній з яких притаманне певне значення початкової енергії.

Пролітаючи крізь речовину, α-частинка поступово втрачає енергію, затрачає її на йонізацію молекул речовини і, зрештою, зупиняється. Що більша густина речовини, то меншим є шлях частинок до зупинки. Так, у повітрі за нормального тиску шлях частинки дорівнює кільком сантиметрам. У твердій речовині шлях частинок становить усього кілька десятків мікронів (α-частинки затримуються звичайним аркушем паперу).

β-випромінювання є потоком електронів. На відміну від α-частинок, значення їхньої енергії лежать у межах від нуля до певного максимального значення Eм. Максимальна енергія Eм є характерною сталою для даного хімічного елемента.

Унаслідок відносно малої маси β-частинок при проходженні крізь речовину можливе відхилення їх на значний кут - розсіювання в різні боки. Траєкторії β-частинок у речовині дуже покручені. Проте сумарна товщина шару, на яку β-частинка проникає в речовину, у десятки разів перевищує пробіг α-частинок.

Відсутність відхилень в електричному і магнітному полях та величезна проникна здатність γ-променів указували на те, що за своєю природою вони аналогічні до рентгенівських променів.

Проникна здатність γ-променів збільшується зі зменшенням довжини хвилі γ-випромінювання і зменшується зі зростанням густини речовини-поглинача.

Радіоактивність — це явище спонтанного (самочинного) перетворення нестійких ядер одного елемента в ядра іншого елемента, яке супроводжується випромінюванням різних частинок і електромагнітних хвиль.

Природа радіоактивних випромінювань указує на те, що їх причиною є самодовільний розпад атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випускають лише α-частинки, інші - β-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають обидва види частинок. Більшість ядер одночасно випускає і γ-промені тощо.

Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, учені встановили, що інтенсивність випромінювання одних речовин зменшується із часом швидко, інших - набагато повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є певний час, протягом якого кількість її атомів зменшується вдвічі. Цей інтервал називають періодом піврозпаду Т.

Період піврозпаду — це інтервал часу, за який вихідне число радіоактивних ядер у середньому зменшується вдвічі.

Цей вираз називають законом радіоактивного розпаду, він установлює залежність кількості радіоактивних атомів речовини від часу розпаду. Його відкрили в 1902 р. Ернест Резерфорд і Фредерік Содді.

Графік цієї залежності показано на малюнку 251.

Період піврозпаду - фізична величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду.

Мал. 251

Швидкістю радіоактивного розпаду, або активністю радіоактивної речовини, називають число розпадів, що відбуваються за одиницю часу.

Із закону радіоактивного розпаду випливає, що активність прямо пропорційна кількості ядер, або масі препарату, і обернено пропорційна періоду піврозпаду.

Що менший період піврозпаду, то меншим є час життя атомів, то швидше відбувається розпад. Для різних речовин його значення дуже відрізняються.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що розуміють під радіоактивністю?
  • 2. Яким методом можна розділити радіоактивне випромінювання на складові частини?
  • 3. Поясніть фізичну природу α-, β- і γ-випромінювання.
  • 4. Які перетворення відбуваються в речовині внаслідок радіоактивного випромінювання?
  • 5. Що таке період піврозпаду?