Учебник по Физике.

Оглавление учебника

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Типы радиоактивных излучений. Природа излучения, испускаемого радиоактивными элементами, может быть выяснена, если поместить радиоактивный образец в постоянное магнитное поле, что дает возможность выяснить, несет ли испускаемое излучение электрический заряд определенного знака (положительно и отрицательно заряженные частицы отклоняются в разные стороны в магнитном поле). Далее можно исследовать проникающую способность радиоактивного излучения, ставя на его пути экраны из разных веществ и разной толщины.

Было выяснено, что существуют три типа радиоактивного излучения, получивших название альфа-, бета- и гамма-радиоактивности.

Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц и обладают наименьшей проникающей способностью (они полностью поглощаются поставленным на их пути листком бумаги). Бета-лучи сильно отклоняются в противоположную альфа-лучам сторону, т.е. их заряд отрицателен. При этом пучок бета-лучей расширяется при отклонении, что свидетельствует о разных скоростях частиц в пучке. Проникающая способность бета-лучей много больше, чем у альфа-лучей. Наконец, гамма-лучи не несут заряда (они не отклоняются магнитным полем) и обладают очень большой проникающей способностью.

В результате серии экспериментов была выяснена природа этих лучей.

1. Было показано, что гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение короткой длины волны (более короткой, чем рентгеновское излучение). Наблюдения дифракции гамма-излучения на кристаллах, аналогичное дифракции рентгеновских лучей, полностью убедили физиков в том, что это электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10^-8-10^-11 м.

2. Стандартными методами было изучено отклонение бета-лучей в магнитном и электрическом полях и измерено отношение заряда этих частиц к их массе e/m. Бета-лучи оказались потоками электронов самых разных энергий.

3. Э. Резерфорд измерил отношение e/m для альфа-лучей, оказавшееся вдвое меньше, чем для иона атома водорода. Это означало, что масса, приходящаяся на один элементарный заряд, у альфа-частиц вдвое больше, чем у иона Н⁺. Далее Резерфорд убедился в отдельном эксперименте, что заряд альфа-частиц равен удвоенному элементарному заряду. Отсюда следовало, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы иона водорода, т.е. альфа-частицы представляют дважды ионизованные атомы гелия Не⁺⁺ (к тому времени атомное ядро еще не было открыто, так что говорили об ионах атомов).

Закон радиоактивного распада. Главное свойство радиоактивного вещества - способность к спонтанному распаду. Это означает, что ядра вещества распадаются по случайному, статистическому закону. Важно понять, что невозможно точно определить, сколько времени проживет отдельное ядро, прежде чем оно распадется. Вопрос о времени жизни радиоактивного вещества может быть корректно поставлен только в том случае, когда рассматривается большой коллектив одинаковых ядер и говорится о вероятности распада определенного количества ядер за какое-то время. Представьте два ядра одного и того же радиоактивного элемента. Одно ядро было создано внутри звезды 5 миллиардов лет тому назад, другое - в ядерной реакции в земной лаборатории 5 минут назад. Вероятность распада в течение следующей минуты одинакова для обоих ядер, независимо от того, когда они были созданы. Это главное свойство статистического закона радиоактивного распада иногда формулируют в виде утверждения, что радиоактивные ядра не стареют.

Пусть имеется N радиоактивных ядер. Количество распавшихся за время dt ядер обозначим dN. Тогда относительное уменьшение числа ядер dN/N должно быть пропорционально интервалу времени dt (в этом и заключается статистический характер распада, независимость вероятности распада от времени):



Знак минус в этом выражении соответствует уменьшению числа ядер при распаде, константа l характеризует конкретное радиоактивное вещество и называется постоянной распада. Написанное уравнение можно легко проинтегрировать. В результате



Здесь N₀ - число распадающихся ядер в начальный момент времени.

Из полученного закона радиоактивного распада видно, что чем больше постоянная распада, тем быстрее происходит распад. Величина t = 1/l носит название времени жизни данного радиоактивного ядра. Найдем время, за которое распадается половина первоначально имевшихся ядер. Это время называется периодом полураспада Т_1/2. Подставляя N₀/N = 2 и беря натуральный логарифм от обеих частей равенства, находим: ln 2 = lT_1/2, откуда



Чем больше постоянная распада l, тем меньше период полураспада.

Биологическое действие радиоактивных излучений. Радиоактивные излучения губительным образом действуют на живые клетки. Степень поражения живого организма зависит от поглощенной дозы излучения, равной отношению поглощенной энергии излучения E к массе облученного тела m:



Размерность поглощенной дозы: [D] = Гр (грей) = 1 Дж/кг.

Предельно допустимая за год доза для человека равна 0,05 Гр. Доза в 3-10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.