Опыт по разделению радиоактивного излучения полем

Физика 9 класс

Г.

Тема: Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов. Альфа-, бета- и гамма-излучения

 

Мы начинаем новый раздел, в котором поговорим о строении атомов и атомных ядер. Узнаем об опыте Беккереля и опыте по разделению радиоактивного излучения полем.

На сегодняшний день ядерная физика – это одна из самых динамично развивающихся областей физики. Кроме того, практически каждый житель нашей планеты слышал о страшной трагедии на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 году. Это событие показало всему миру, насколько опасным может быть так называемый «мирный атом». Таким образом, в этом разделе мы поговорим об очень интересном, но зачастую опасном разделе физической науки.

Исследование строения атома

Еще примерно 2500 лет назад древнегреческим философом Демокритом было введено предположение, что все вещества состоят из так называемых атомов, что в переводе означало «неделимый».

Но уже с середины XIX века, вследствие проведения множества экспериментов, начали появляться данные, которые ставили под это предположение и говорили о наличии сложного строения атома.

Толчком к активному исследованию в области устройства атома стало открытие рентгеновских лучей, после чего множество ученых заинтересовались этой темой. После проведения большого количества экпериментов некоторые ученые пришли к выводу, что рентгеновские лучи могут возникать во время кратковременного свечения некоторых веществ после освещения солнечным светом. К таким веществам относятся, например, некоторые соли урана. Одной из них воспользовался французский физик Беккерель для проверки описанного явления.

Опыт Беккереля

В 1896 году он взял крупинки урановой соли, положил их на завернутую в черную бумагу фотопластинку и вынес на несколько часов на солнце (фотопластинка – светочувствительный фотоматериал, представляющий собой твёрдую подложку (как правило, стекло) с нанесённой на неё светочувствительной эмульсией, рис. 1).

Рис. 1. Фотопластинка

После проявления на ней образовались темные пятна, которые доказывали наличие излучения урановой солью, которое проходит через черную бумагу. Затем ученый решил немного изменить условия проведения эксперимента, но ему помешала погода, и он отложил фотопластинку и урановую соль в стол, а между ними проложил медный крест. Когда через несколько дней погода не улучшилась, Беккерель решил проявить пластинку и обнаружил, что на ней появился контур креста. Это доказало, что солнечный свет к эффекту не имеет отношения, а соль урана сама, без влияния внешних факторов, испускает невидимое излучение.

Позднее такое излучение назовут радиоактивным (от лат. Radio – излучаю и activus – действенный), способность некоторых веществ к радиоактивному излучению – радиоактивностью, а химические вещества, ядра которых склонны к такому излучению, – радиоактивными элементами.

Позднее, в 1898 году, французские ученые лауреаты нобелевской премии Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента, радий и полоний, у которых излучение было значительно более сильным.

Опыт по разделению радиоактивного излучения полем

После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. В 1899 году под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно, т. е. в его результате выделяются различные частицы.

На рисунке вы можете видеть схему этого эксперимента.

Рис. 2. Опыт

В свинцовом контейнере с небольшим отверстием размещали радиоактивное вещество. Свинец позволял экранировать излучение во все стороны, кроме отверстия. Пучок радиоактивного излучения, который выходил из отверстия, сначала попадал в сильное магнитное поле постоянного магнита, а потом на фотопластинку, размещенную напротив отверстия. На фотопластинке после проявления было обнаружено три темных пятна, которые свидетельствовали о разделении радиоактивного излучения на три составные части.

Рис. 3. Иллюстрация опыта

Прежде всего, два пятна, отклоненные в различные стороны от прямолинейного распространения пучка, говорили о наличии разноименных зарядов у частиц в этих пучках. Третье пятно располагалось напротив отверстия, из этого сделали вывод, что излучение этого пучка не имело заряда.

Заряженные частицы в пучках Резерфорду удалось исследовать. Положительно заряженные являлись ядрами атомов гелия, он их назвал α-частицами, отрицательно заряженные оказались быстро движущимися электронами, которые он назвал β-частицами.

В 1900 году французский физик Поль Виллард открыл ту составляющую излучения, которая не имела заряда, она была названа γ-излучением. Исследование этих лучей показало, что они представляют собой электромагнитные волны крайне высокой частоты и энергии.

Итак, давайте еще раз перечислим все указанные частицы, которые выделяются в процессе радиоактивного излучения:

- α-частицы – поток ядер гелия ;

- β-частицы – поток быстрых электронов со скоростью, сравнимой со скоростью света;

- γ-излучение – электромагнитное излучение высокой частоты.

В результате, явление радиоактивности послужило основанием предполагать, что атомы имеют сложный состав.

1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. А. Беккерель изучал флуоресценцию урановой смолки. И однажды он обнаружил, что даже при условии, что свет не падает на урановый препарат, завернутый в бумагу, тот все равно излучает лучи, которые Беккерель ранее считал рентгеновскими. Он думал, что флуоресценция получается тогда, когда солнечный свет попадает в урановую смолку, а вследствие этого она излучает рентгеновские лучи.

Оказалось, что никакого предварительного облучения не нужно, смолка все равно излучает какие-то лучи.

В 1898 году супруги Пьер и Мария Кюри опубликовали результаты своих работ. Они выяснили, что такое свойство излучать присуще не только урановой смолке и урансодержащим материалам, а такое же излучение дает торий. Вследствие экспериментов, супруги Кюри пришли к выводу, что в смолке содержатся элементы, которые обладают большей активностью излучения лучей. В июле 1898 года супруги Кюри опубликовали открытие новых элементов. Первый из них – полоний, а второй, который был более сильным по активности излучения, – радий.

Также супруги Кюри ввели термин – радиоактивность.

В 1899 году Э.Резерфорд опубликовал свои исследования, в которых он дифференцировал радиоактивное излучение на три компонента: α-, β- и γ- лучи. Он обнаружил, что излучение содержит один положительно заряженный компонент – α, отрицательно заряженный компонент – β, и нейтральный компонент – γ.

В 1900 году П. Виллар обнаружил дифракцию γ-лучей и подтвердил их волновую природу. γ-лучи оказались квантами больших энергий. Они принадлежат спектру электромагнитных волн.

В 1901 году А. Беккерель измерил отношение величины заряда к массе у β-частиц. Он доказал, что β-частицы – это электроны больших энергий, движущиеся с очень большой скоростью.

где

с – скорость света

В 1902 году Э. Резерфорд установил, что в урановой смолке имеются летучие компоненты, которые он назвал эманация тория, эманация радия. В дальнейшем оказалось, что это радиоактивный газ – полоний.

В 1903 году Э.Резерфорд измерил отношение величины заряда к массе у α-частиц. Чтобы это измерить, потребовалось создать очень сильные магнитные поля. Резерфорд установил, что α-частицы – это ядра гелия.

В 1903 году А. Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию.

Пьер и Мария Кюри исследовали свойства α-излучения.

Они ввели понятие активность радиоактивного препарата (а). Мария Кюри установила, что за 1 час 1 г радия выделяет энергию W. И затем вычислила, сколько энергии приходится на одну α-частицу (W α).

где

ΔN – число распадов в радиоактивном препарате

Δt – единица времени

N – количество вещества

λ – постоянная распада

1 Ки – 1 Кюри

Получилась огромная энергия:

В дальнейшем Мария Кюри уточнила свои эксперименты. Оказалось, что чистые α-частицы дают W_α = 4,7 МэВ

Во всех изученных радиоактивных препаратах энергия α-частиц, вылетающих из ядра, лежит в пределах [3÷10] МэВ.

α-частицы обладают малой проникающей способностью, они очень действенны. Частица, имея такую энергию, пробегает в воздухе:

За это время она проводит ионизацию сотен тысяч атомов, образуя сотни тысяч пар ионов.

α-частицы проникают через тонкое стекло, через тонкую металлическую фольгу.

А. Беккерель и Кауфман изучали свойства β-лучей.

А.Беккерель показал, что:

где

W_k – кинетическая энергия β-частиц

При такой энергии масса электрона начинает меняться. Кауфман измерил зависимость массы от скорости движения. Он экспериментально нашел выражение для зависимости массы электрона от скорости его движения:

где

m_β – масса движущегося электрона

m_0е – масса покоящегося электрона

Для вычисления кинетической энергии β-частицы, надо пользоваться формулами из теории относительности:

β-излучение обладает большой проникающей способностью. При этом ионизирующая способность β-излучения небольшая, так как она на очень большой скорости пролетает атом, почти не успевая его ионизировать:

От β-излучения может спасти прорезиненная одежда, которая применяется в экспериментах.

Виллар показал, что γ-лучи представляют собой кванты электромагнитного излучения, очень высокой частоты и маленькой длины волны.

где

l_пр – длина свободного пробега

Чтобы защититься от γ-излучения, которое имеет вредные последствия для организма, необходима преграда в виде свинца, толщиной не менее 1 дм.

Таким образом, к 1903 году сложилось ясное представление о том, что такое радиоактивность.

Радиоактивное излучение является следствием спонтанного превращения ядер одних элементов в ядра других элементов, с выбросом либо α-частицы(ядро гелия), либо β-частицы (электрона), что приводит к изменению заряда и массы ядер. Получаются новые ядра, но сам процесс является спонтанным. В данной ситуации необходимо применять законы статистического характера.

Приборы для изучения радиоактивного излучения:

1. Счетчик Гейгера–Мюллера (подсчитывает число радиоактивных частиц, вылетевших из препарата), 1908–1928 г.г.

2. Камера Вильсона (позволяет проследить треки радиоактивных частиц), 1912 г.

3. Пузырьковая камера Глезера, 1952.

 

Обучающее видео: https://youtu.be/Tk4-TIi6YUk

https://youtu.be/HN9lcenEYe0

Домашнее задание: Изучить §48, в рабочей тетради составить опорный конспект, нарисовать рисунок «Способы защиты от разных видов излучений».