§ 214. Природа радиоактивного излучения

1. излучение. По своим свойствам излучение подобно рентгеновскому излучению. Как и рентгеновское излучение, оно ионизует воздух, действует на фотопластинку и не отклоняется магнитным полем. При прохождении через кристаллы излучение, подобно рентгеновскому, обнаруживает дифракцию. Оба вида излучения тем сильнее поглощаются экранами, чем больше атомный номер вещества экрана.

По проникающей способности излучение некоторых радиоактивных веществ значительно превосходит рентгеновское излучение, используемое в медицине и технике. Но проникающая способность (или, как говорят, жесткость) рентгеновского излучения возрастает с увеличением напряжения, ускоряющего электроны. При торможении электронов, ускоренных напряжением в несколько миллионов вольт, образуется рентгеновское излучение, уже не уступающее по проникающей способности наиболее жесткому излучению.

Совпадение всех свойств излучения и жесткого рентгеновского излучения доказывает их одинаковую природу. Из предыдущего мы знаем, что рентгеновское излучение является коротковолновым электромагнитным излучением. Следовательно, излучение также представляет собой электромагнитные волны, отличающиеся очень малой длиной волны и, следовательно, очень большой энергией квантов. Как и другие электромагнитные излучения, излучение распространяется со скоростью света, равной . излучение и рентгеновское излучение равной длины волны, кроме способа получения, ничем друг от друга не отличаются.

Как показывают измерения, энергия квантов излучения различна у различных радиоактивных веществ: наблюдаются кванты с энергией от десятка килоэлектронвольт  до нескольких мегаэлектронвольт ; этому соответствует длина волны .

2. частицы. Для установления природы частиц существенно измерить заряд и массу отдельной частицы.

Измерение заряда в принципе весьма просто. Нужно независимо измерить заряд , переносимый пучком частиц за определенное время, и сосчитать число частиц . пролетающих за то же время. Очевидно, заряд одной частицы .

Опыт по измерению заряда частиц может быть поставлен следующим образом (рис. 386, а). Радиоактивный препарат 1, испускающий с постоянной интенсивностью частицы устанавливается перед диафрагмой 2, отверстие которой вырезает узкий пучок частиц. Все частицы, прошедшие через отверстие, улавливается полым металлическим цилиндром 3, присоединенным к чувствительному электрометру. По отклонению электрометра определяют заряд, внесенный пучком внутрь цилиндра.

Рис. 386. Схема опыта по изменению зарада частиц: а) Измерение заряда, переносимого пучком частиц; б) счет числа проходящих частиц. 1 – радиоактивный источник, 2 – диафрагма, 3 – собирающий цилиндр, 4 – электрометр, 5 – счетчик частиц

Далее, не изменяя положения препарата и диафрагмы, заменяют электрометр и цилиндр счетчиком частиц 5 (рис. 386, б) и сосчитывают число частиц, проходящих через диафрагмы за время, равное времени измерения заряда. Для счета частиц в этом опыте могут быть применены счетчик сцинтилляций или газоразрядный счетчик, описанные в предыдущем параграфе.

Опытами подобного рода было установлено, что частицы несут положительный заряд, равный двум элементарным зарядам. Заряд частиц оказался равным одному элементарному отрицательному заряду.

Измерение массы частиц оказывается задачей несколько более сложной, чем измерение массы ионов (см. § 198), так как скорость этих частиц неизвестна. Для частиц с неизвестной скоростью опыт по отклонению в магнитном поле не позволяет определить и массу и скорость, но дает лишь некоторое соотношение между ними. Другое такое соотношение может быть получено, если произвести дополнительный опыт по отклонению частицы в электрическом поле. Располагая двумя соотношениями, связывающими массу и скорость частицы, нетрудно определить каждую из этих величин в отдельности.

Опыт по одновременному определению массы и скорости заряженных частиц может быть поставлен следующим образом (рис. 387). Пучок частиц от радиоактивного источника 1 попадает в узкий зазор между пластинками конденсатора 3, изогнутыми по дуге окружности радиуса . Сквозь зазор, в котором действует электрическое поле , пройдут только те частицы, масса и скорость которых таковы, что под действием этого поля их траектория, будет окружностью радиуса . Для этих частиц необходимое центростремительное ускорение  создает электрическая сила . Таким образом,

                                                            (214.1)

Рис. 387. Схема одновременного измерения скорости и массы заряженных частиц: 1 — радиоактивный препарат; 2 — экран со щелью; 3 — конденсатор: 4 — диафрагма со щелью; 5 — фотопластинка; 6 — полюс магнита. Весь прибор помещен в эвакуированный сосуд, не указанный на рисунке

Из конденсатора частицы через; щель 4 попадают в однородное магнитное поле , линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа. Описав в магнитном поле полуокружность, частицы попадают на фотопластинку 5 в точке . После проявления место попадания частиц обнаруживается в виде темной полоски. Измеряя расстояние , находят радиус траектории частицы в магнитном поле. Этот радиус  связан со скоростью и массой частицы соотношением (198.1)

Решая это уравнение и (214.1) относительно  и , нетрудно получить

Измерения, принцип которых указан выше, приводят к следующим результатам. Масса частицы совпадает с массой электрона. Заряд частицы также совладает с зарядом электрона. Мы приходим к выводу, что частицы есть не что иное, как быстрые электроны, вылетающие из атомов радиоактивного вещества. Скорости частиц огромны и доходят до  скорости света. Соответственно энергия частиц доходит до нескольких мегаэлектронвольт.

Масса частиц оказывается равной  Массой 4 а. е. м. и зарядом  обладает ядро атома гелия.

Если частицы представляют собой ядра гелия, то замедлившиеся частицы должны присоединять к себе электроны и образовывать атомы гелия. Такое явление наблюдал Резерфорд. Он заключил радиоактивное вещество в стеклянную ампулу со стенками настолько тонкими, что все испускавшиеся препаратом частицы выходили наружу. Ампула была помещена в толстый сосуд большего объема. Через несколько дней при помощи спектрального анализа было обнаружено во внешнем сосуде присутствие гелия.

Опыт Резерфорда неопровержимо доказал, что частицы являются быстродвижущимися ядрами гелия. Скорости частиц значительно меньше скоростей частиц и лежат в пределах . Кинетическая энергия частиц велика:.

В результате столкновений с атомами среды энергия радиоактивного излучения превращается в конечном счете в тепло. Тепловое действие радиоактивного излучения легко обнаруживается калориметрическими опытами.