Реферат: Радиоактивность. Открытие Беккереля

Энергия, выделяемая радием в один час, невелика. Но ведь она выделяется непрерывно на протяжении очень большого промежутка времени. Следовательно, в общем радий выделяет большое количество энергии. Возникает естественный вопрос, откуда же радий черпает эту энергию?

Одним из основных законов физики является закон сохра­нения и превращения энергии. Этот закон установлен на основании наблюдений и исследований, охватывающих и обоб­щающих все известные в науке факты.

Согласно этому закону энергия не возникает и никогда не исчезает; возможны лишь переходы энергии из одной формы в другую.

Следует отметить здесь, что великий русский учёный М. В. Ломоносов, первый открывший существование закона сохранения вещества, ясно видел, что существуют законы сохранения и других основных природных величин и, следо­вательно, предвосхитил открытие закона сохранения и превра­щения энергии. В его «Рассуждении о твёрдости и жидкости тел» мы находим такие замечательные строки: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состо­яния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов поло­жит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Энергия радиоактивных веществ выделяется в виде радио­активных лучей и притом непрерывно. Первое время никак не удавалось связать это выделение энергии с каким-либо изме­нением самих радиоактивных веществ. Казалось, что запас этой энергии в радиоактивных веществах безграничен.

Затруднение, возникшее в связи с излучением радия, усу­гублялось ещё рядом других фактов, добытых учёными.

Естественно, что когда мы желаем изучить какое-нибудь,
явление, то прежде всего ищем, какие силы природы влияют
на это явление, что способно изменить характер его. Когда
такие силы найдены, легче наметить путь, по которому надо
идти, чтобы связать рассматриваемое явление с другими, ранее хорошо изученными. Однако и здесь исследователей по­стигла неудача. Они не смогли найти никаких средств, спо­собных подействовать на радий. Ни самые высокие или низкие температуры, ни самые сильные электрические и магнитные поля, ни огромные давления, ни сильнейшие химические реактивы, одним словом, ни одно из всех могущественных средств физической лаборатории не могло оказать влияния на способность радия излучать энергию.

В начале нашего столетия слово радий было у многих на устах. Загадка радиоактивности волновала всех учёных, осо­бенно физиков, и почти все они стремились найти объяснение этим, казавшимся таинственными, фактам. Путь был один - изу­чать свойства радиоактивных лучей и искать следы каких-либо изменений, происходящих с радием. Но как искать?

Стремясь разгадать тайну радиоактивности, учёные шли различными путями, и результаты их огромной творческой работы не замедлили сказаться.

Альфа-, бета- и гамма-лучи

Мы уже упоминали о многочисленных попытках повлиять на способность радия излучать радиоактивные лучи. Эти попытки не привели ни к какому результату. Однако, пытаясь воздействовать на радий магнитным полем, Пьер и Мария Кюри обнаружили, что хотя лучеиспускающая способность радия при помещении его в магнитное поле не меняется (интенсивность излучения остаётся неизменной), сами радиоактивные лучи претерпевают сильное изменение при прохождении через магнитное поле. Однородный до вступления в магнитное поле луч разделяется полем на два луча. Один из этих лучей рас­пространяется так, как если бы магнитное поле на него совершенно не действовало; другой луч под влиянием поля резко изменяет направление своего движения.

Ко времени опытов Беккереля физикам уже были известны лучи, способные отклоняться в магнитном поле. Это были лучи, образованные потоком электрически заряженных частиц, движущихся в одном направлении. Из направления отклонения можно определить знак заряда, т. е. установить, является ли заряд частицы положительным или отрицательным. Более подробные сведения могли быть получены при наблюдении движения этих частиц в магнитном и электрическом полях. Как мы увидим далее, в этом случае возможно определить не только заряд, но и его отношение к массе движущейся частицы. Из опытов Кюри вытекало, что движущиеся заряды отрицательны, а измеренное отношение заряда к массе оказа­лось равным 5,3-10¹⁷ электростатических единиц на грамм. Таким же отношением заряда к массе обладают электроны, имеющие отрицательный электрический заряд. Из этого сопо­ставления можно было заключить, что по крайней мере часть лучей, испускаемых радием, представляет собой поток движу­щихся электронов.

Была измерена величина скорости электронов, испускаемых радием. Она оказалась весьма большой. Некоторые из элек­тронов имели скорость, близкую к скорости света, т. е. около 3.00 000 км в секунду.

Эти исследования немного приоткрыли таинственное покры­вало, окутывающее радиоактивные лучи, - оказалось, что часть их представляет собой поток движущихся электронов. Но что же представляет собой другая часть лучей, которая не отклоняется магнитным полем?

За её исследование взялся Резерфорд. Он заметил, что неотклоняемая в магнитном поле часть радиоактивных лучей обладает такими же странными особенностями в поглощении, как и весь пучок. Хорошо было известно и раньше, что при прохождении радиоактивных лучей через вещество различной толщины они поглощаются сначала очень сильно, а затем медленно, так что, в общем, они могут проходить через зна­чительные толщи вещества. Поэтому можно было думать, что радиоактивные лучи неоднородны и представляют собой «смесь» различных лучей, одни из которых поглощаются сильно, а другие слабо. Такая мысль до опытов Пьера и Марии Кюри никем не высказывалась. Однако, когда опыты Кюри подтвер­дили сложность состава радиоактивного излучения, естественно было предположить, что сильно поглощаемая часть излучения является потоком электронов, а другая часть этих лучей, которая, подобно лучам Рентгена, не отклоняется магнитом, так же как и лучи Рентгена, сравнительно слабо поглощается веществом. Опыт, однако, показал, что эта часть радиоактив­ных лучей ведёт себя в отношении поглощения так же, как и весь пучок. Уже очень тонкие слои вещества резко ослаб­ляют её интенсивность, а затем даже сравнительно толстые слои вещества поглощают остающиеся лучи незначительно.

Это различие и побудило Резерфорда к дальнейшим ис­следованиям.

А что, если и та часть лучей радия, которую Пьер и Ма­рия Кюри не смогли отклонить магнитным полем, тоже не­однородна? Что, если они пользовались слабым магнитным полем? Может быть, сильное магнитное поле окажет иное действие? И Резерфорд повторяет их опыты, но при этом он создаёт магнитное поле, гораздо более сильное, чем в их опытах.

Результат опытов Резерфорда оказался поразительным. Пучок лучей, который в опытах Кюри не отклонялся магнит­ным полем, в магнитном поле Резерфорда в свою очередь расщепился на две части. Одна из них по-прежнему не откло­нялась магнитным полем, а другая часть под действием силь­ного магнитного поля слегка отклонялась от своего первона­чального направления.Весьма интересным оказалось то, что эти лучи отклоня­лись в сторону, противоположную отклонению электронов. Следовательно, и эта часть радиоактивных лучей представ­ляет собой поток заряженных частиц (ибо на движение не­заряженных частиц магнитное поле не действует) и притом заряженных положительно. Опыт показал, что новые состав­ляющие радиоактивных лучей в отношении поглощения вели себя вполне определённым образом.

Рис. 1. Схема опыта по разделе­нию радиоактивных лучей магнит­ным полем. 1 —радиоактивное вещество; 2 — свинцовая коробочка с тонким каналом, в котором помещается радиоактивное вещество; 3 — лучи, не отклонённые магнитным полем (гамма-лучи); 4 — лучи, слабо отклоняемые магнитным полем (альфа-лучи); 5 — лучи, сильно отклоняемые магнитным полем (бе­та-лучи); 6 —область, в которой создано магнитное поле.

Та часть радиоактивного излучения, которая совершенно не отклонялась магнитным полем, поглощалась очень незна­чительно. Та же часть радиоактивного излучения, которую

Резерфорду впервые удалось отклонить, поглощалась чрез­вычайно сильно.

Создавалось впечатление, что лучи, наблюдавшиеся вначале Беккерелем, пред­ставляют собой смесь трёх типов лучей.

На рис. 1 приведено схе­матическое изображение раз­деления радиоактивных лу­чей магнитным полем.

Радиоактивные лучи со­стоят из лучей трёх различ­ных типов. Каждый из них получил своё особое название и обозначение. Их обозначили и назвали тремя первыми бук­вами греческого алфавита: альфа (), бета () и гамма (). Альфа-лучами назвали те лу­чи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных ча­стиц. Бета-лучами стали назы­вать те лучи, которые сравни­тельно сильно отклоняются магнитным полем и представ­ляют собой поток электронов. Гамма-лучами стали называть лучи, которые совсем не отклоняются магнитным полем. Следует отметить, что альфа-лучи отклоняются в маг­нитном поле в виде узкого пучка, в то время как бета-лучи отклоняются магнитным полем в виде широкого размы­того пучка. Это обстоятельство говорит о том, что альфа-лучи, вылетающие из радия, имеют одинаковую энергию, а бета-лучи представляют собой поток электронов различной энергии.

Разделение радиоактивных лучей на альфа-, бета- и гамма-­лучи позволило исследовать их свойства отдельно. Вот неко­торые результаты этих исследований.

Альфа-лучи поглощаются наиболее сильно. Тонкий листо­чек слюды или алюминия толщиной всего лишь в 0,05 мм поглощает альфа-лучи почти полностью. Достаточно завер­нуть радий в обыкновенную писчую бумагу, чтобы поглотить все альфа-лучи. Альфа-лучи сильно поглощаются воздухом. Слой воздуха толщиной всего лишь в 7 см поглощает альфа-лучи радия почти нацело.

Бета-лучи поглощаются веществом значительно слабее. Они в состоянии ещё в заметном количестве пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Гамма-лучи поглощаются во много раз слабее бета-лучей. Они проходят через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров. Пластинка свинца толщиной в 1,3 см ослабляет интенсивность гамма-лучей всего лишь в два раза.

Помимо различия в степени поглощения, между альфа-, бета- и гамма-лучами существует большое различие в характере поглощения. Наиболее отчётливо оно проявляется в изменении интенсивности этих лучей при постепенном возрастании тол­щины поглощающего вещества.