§ 38. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют способность некоторых атомных ядер превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы и электромагнитное излучение. Радиоактивность была открыта в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем, обнаружившим, что соли урана испускают излучение, которое засвечивает фотопластинку. Впоследствии французские физики супруги М. Склодовская-Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – радий и полоний. Сейчас установлено, что все химические элементы с порядковым номером (зарядовым числом) Z > 82 являются радиоактивными.

Состав радиоактивного излучения был изучен Резерфордом и супругами Кюри с помощью установки, показанной на рис. 38а. Кусочек радия Р помещали на дно узкого канала в свинцовом цилиндре С. Выходивший из канала радиоактивный луч проходил через сильное магнитное поле с индукцией , перпендикулярной этому лучу, а потом падал на фотопластинку Ф. В магнитном поле излучение распадалось на три луча, которые приводили к появлению трёх пятен на фотопластинке, причём положение среднего пятна совпадало с тем, которое наблюдали в отсутствии магнитного поля (рис. 38а). Расщепление излучения означало, что оно является потоком разноимённо заряженных частиц, на которые сила Лоренца действует в разные стороны. Поток положительно заряженных частиц был назван a-лучами, а поток отрицательных – b-лучами. Излучение, не отклоняющееся в магнитном поле, было названо g-лучами.

Исследования показали, что α-лучи – это поток ядер гелия, β-лучи – поток электронов, а γ-лучи – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны λ < 10^–10 м. Их этих трёх видов излучения наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, интенсивность которых ослабляется всего лишь в два раза при прохождении через слой свинца толщиной в 1 см. β-лучи обладают меньшей проникающей способностью, и их можно задержать алюминиевой пластинкой толщиной в 5-10 мм. Самой маленькой проникающей способностью обладают α-лучи, не проникающие даже через лист бумаги.

Распад ядра X, в результате которого оно превращается в ядро Y, испуская при этом α-частицу, называют α-распадом. Уравнение a-распада, следующее из законов сохранения электрического заряда и общего числа нуклонов, имеет вид:

Из (38.1) следует, что при α-распаде образуется ядро химического элемента, порядковый номер которого меньше на две единицы. Это утверждение называют правилом смещения для  α-распада.

Распад ядра X, при котором оно, превращаясь в ядро Y, испускает электрон (b-частицу), а один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон, называют b-распадом. Уравнение b-распада, следующее из законов сохранения заряда и общего числа нуклонов, имеет вид:

Из (38.2) следует, что при b-распаде образуется ядро химического элемента, порядковый номер которого больше на единицу. Это утверждение называют правилом смещения для  b-распада.

Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого изотопа радиоактивного элемента существует определённый интервал времени T, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Этот интервал времени называют периодом полураспада, T. Например, период полураспада для α-распада  равен 4,5×10⁹ лет, а для b-распада – 5700 лет. Закон, по которому убывает со временем t число N радиоактивных ядер данного изотопа, называют законом радиоактивного распада. Этот закон, который легко вывести, имеет следующий вид:

 

где N₀ – число радиоактивных ядер в момент t = 0. Зависимость (38.3) изображена на рис. 38б.

Вопросы для повторения:

·        Что такое радиоактивность?

·        Что представляют собой a-, b- и g-лучи?

·        Сформулируйте правила смещения при радиоактивных распадах.

·        Что называют законом радиоактивного распада?

 

Рис. 38. (а) – схема установки для обнаружения a-, b- и g-лучей в радиоактивном излучении; (б) – закон радиоактивного распада.