Радиоактивность это свойство ядер некоторых элементов спонтанно (т. е. без каких-либо внешних воздействий) распадаться с образованием ядер новых элементов и испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.
Что такое радиоактивность
Первоначально радиоактивные вещества были обнаружены в природе.
В дальнейшем их стали получать также и искусственно. Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью, аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах, — искусственной радиоактивностью.
Деление это условно, так как оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.
Радиоактивное излучение невидимо, но обнаруживается рядом объективных явлений, например действием на фотопленку, возбуждением люминесценции, ионизацией вещества, в котором излучение поглощается, и т. д.
Радиоактивный распад сопровождается выделением теплоты.
Было установлено, что радиоактивное излучение является сложным излучением, например излучение радия в процессе его распада состоит из трех различных по природе излучений.
- Одно из них представляет быстро летящие положительно заряженные частицы и было названо альфа-лучами.
- Второе состоит из быстро летящих отрицательно заряженных частиц (электронов), оно было названо бета-лучами.
- Третье относится к электромагнитному излучению и было названо гамма-лучами.
Разделение радиоактивного излучения на указанные составные части было впервые осуществлено при действии сильного магнитного поля на излучение крупинки Р радия вместе с продуктами его распада, помещенной на дне свинцового цилиндра С, как показано на рис.
Кто открыл явление радиоактивности
Эффект радиоактивности открыл Анри Беккерель, полностью подтвердив гипотезу Пуанкаре в 1896 г.
Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет.
После проявления пластинки на ней было отчетливо видно изображение металлической фигуры, той самой фигуры, которая покрывалась до опыта солью урана.
Повторные опыты Беккереля дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 г. он доложил академии о результатах опытов.
Казалось, что гипотеза Пуанкаре полностью подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольные опыты. К концу февраля он приготовил новую пластинку.
Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 марта.
Утро 1 марта было солнечным и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки, лежавшие несколько дней в темном шкафу.
На проявленных пластинках четко обозначились силуэты образцов минерала, лежавших на непрозрачных экранах пластинок.
Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран.
Беккерель немедленно ставит повторные опыты. Оказалось, что соли урана сами по себе без всякого внешнего воздействия испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачные слои.
2 марта Беккерель сообщил о своем открытии.
Характеристика радиоактивного излучения
Основной характеристикой радиоактивного излучения (кроме его природы) является кинетическая энергия, которую имеют частицы излучения.
Распределение частиц в зависимости от их энергии называется спектром радиоактивного излучения
Спектр обычно дается в виде графика, который показывает относительное число частиц (откладывается по вертикальной оси), имеющих ту или иную энергию в зависимости от величины этой энергии (откладывается по горизонтальной оси).
Альфа частица
Альфа-излучение (альфа-лучи) есть поток быстро летящих, т. е. имеющих высокую кинетическую энергию частиц, которые называются альфа-частицами и по своей природе представляют ядра атомов гелия.
Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и соответственно имеет атомный номер, равный двум и массовое число четыре.
Ее обозначение 2α4или 2Не4. Начальная скорость имеет порядок (1,5 ÷ 2,0)•109 см/сек.
Основная масса альфа-частиц, испускаемых ядрами данного вещества, имеет одинаковую энергию, которая для различных веществ лежит в пределах от 4 до 9 Мэв.
Поэтому можно сказать, что альфа-излучение данного вещества имеет спектр, состоящий из одной линии.
Бета частица
Бета-излучение (бета-лучи) есть поток быстро летящих частиц, называемых бета-частицами, которые могут быть двоякого рода: это или электроны (у большей части радиоактивных веществ), или позитроны (у некоторых из искусственно полученных радиоактивных веществ).
Позитрон является элементарной частицей аналогичной электрону, за исключением того, что он имеет заряд положительного знака. Позитрон является устойчивой частицей, но в естественных условиях он почти не встречается. Причины этого будут рассмотрены ниже.
В обоих случаях бета-частица имеет единичный элементарный заряд (электрон — отрицательный, позитрон — положительный) и незначительную массу, которой обычно пренебрегают.
Бета-частица обозначается β—или -1e0 (электрон) или β+ и +1e0(позитрон). Начальная скорость бета-частиц имеет порядок (1 ÷ 2)•1010 см/сек.
Бета-излучение одного и того же вещества содержит частицы с различной энергией в пределах от самой малой до некоторой максимальной величины Еm. Следовательно, спектр бета-излучения является непрерывным, или сплошным (рис. 2). Для спектра характерна граница со стороны максимальной энергии Еm а также средняя энергия Еср частиц, которая равняется примерно одной трети от максимальной:
Еср ≈ Еm/3.
Максимальная энергия бета-частиц может быть в пределах от десятых и сотых долей Мэв (мягкое бета-излучение) до 1—2 Мэв (жесткое бета-излучение).
Гамма излучение
Гамма-излучение — это поток фотонов с длиной волны в пределах от 0,1 ммк и меньше, обозначается оно греческой буквой у. Скорость распространения его равняется скорости света.
Гамма-излучение исходит из атомных ядер и связано с протекающими в них энергетическими процессами.
Гамма-излучение данного вещества может состоять из фотонов различной энергии, соответствующих дискретным уровням энергетического состояния ядра.
Поэтому оно имеет линейчатый спектр из небольшого числа линий.
Максимальная энергия гамма-фотонов у различных веществ может быть от 0,2 до 3 Мэв и обозначается в виде индекса, например
γ0,8. γ 1,2 и т.п.
Превращение ядер элементов, происходящее в процессе радиоактивности, называется радиоактивным распадом .
Xарактер превращения ядра при распаде обусловлен природой происходящего при этом излучения, т. е. зависит от того, какие частицы при этом выбрасываются из ядра.
Закон радиоактивного распада
Распад ядер радиоактивных элементов происходит непрерывно, и скорость распада не зависит ни от физических условий (например, температуры), ни от химического соединения, в которое данный элемент входит.
Количество распадающихся в единицу времени ядер зависит только от имеющегося в наличии количества еще не распавшихся ядер.
При этом момент распада каждого данного ядра не может быть указан заранее.
Однако благодаря большому числу ядер даже в малом количестве вещества, можно установить закон, который определяет общее количество ядер, распадающихся за единицу времени.
Основной закон радиоактивного распада: за единицу времени распадается всегда одна и та же часть имеющихся в наличии (т. е. еще не распавшихся) ядер вещества.
Иначе говоря, относительная скорость радиоактивного распада постоянна.
Для того чтобы лучше понять особенность скорости радиоактивного распада, сравним два возможных случая изменения некоторой величины Q от времени (ее начальное значение Q0).
- В первом случае за равные промежутки времени величина Q уменьшается на равные количества q, составляющие одну и ту же часть исходной величины Q0. В этом случае абсолютная скорость изменения величины Q постоянна. На графике это изобразится прямой линией. Пример — изменение количества жидкости в результате испарения при всех прочих неизменных условиях.
- Во втором случае за равные промежутки времени величина уменьшается на одну и ту оке часть ее наличного (мгновенного) значения. При этом количества ql, q2,…qn, на которые она уменьшается за каждый последующий промежуток времени, не равны между собой, но по мере уменьшения Q соответственно также уменьшаются. В этом случае относительная скорость изменения величины Q постоянна- Величина Q убывает по экспоненциальному закону.
Из основного закона радиоактивного распада следует, что количество ∆N ядер, распадающихся за достаточно малый промежуток времени ∆t, прямо пропорционально наличному количеству N нераспавшихся ядер.
Также и самому промежутку времени ∆t: —∆N = λN∆t, где коэффициент пропорциональности λ зависит от природы вещества и называется постоянной распада (знак минус перед ∆N показывает на уменьшение со временем величины N).
Это есть уравнение экспоненциальной функции и решение его описывается формулой.
N = N0e—λt,
где N0 — исходное количество ядер (в момент t = t0), t — время, протекшее от начала распада.
Постоянная распада X характеризует вероятность распада ядер за единицу времени.
Чем больше постоянная распада, тем большая часть ядер распадается за единицу времени (1 сек). Величина τ, обратная постоянной распада τ = 1/λ называется средней продолжительностью жизни ядра.
График, выражающий основной закон радиоактивного распада, приведен на рис. 3, а. По горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — вместо числа N ядер атомов — соответствующее ему количество Q радиоактивного вещества.
Ординаты кривой указывают наличное количество нераспавшегося вещества в любой момент времени t (Q0 — исходное количество вещества).
На рис. 3, б построены аналогичные графики при различных значениях постоянной распада λ.
Количество R распавшихся к моменту времени t ядер, очевидно, выражается так:
R = N0—N = N0-N0e—λt = N0(1 — e—λt).
Для упрощения характеристики скорости распада различных радиоактивных веществ установлено понятие периода полураспада.
Период полураспада
Периодом полураспада называется время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивного вещества. Период полураспада Т можно определить из следующих соображений. В данном случае, т. е. при t = Т, отношение количества Q нераспавшегося вещества к исходному количеству Q0 равняется 1/2, т. е.
Q/Q0 = N/N0 = e—λt = 1/2
Решение уравнения дает:
T = In2/λ = 0,693/λ.
Формула показывает, что период полураспада обратно пропорционален постоянной распада λ.
Скорость распада различных радиоактивных веществ весьма различна. Период полураспада может иметь величину от долей секунды до миллионов лет.
В качестве примера в таблице приведены данные постоянной-распада и период полураспада для некоторых радиоактивных изотопов.
Приведенные формулы имеют большое практическое значение, так как дают возможность определить наличное количество еще не распавшегося радиоактивного вещества, в любой момент времени после его образования.
Таблица радиоактивного распада
| Изотоп | Массовое число | Постоянная распада 1/сек | Период полураспада Т |
| Уран | 238 | 4,9•10-18 | 4,51•109 лет |
| Радий | 226 | 1,38•10-11 | 1590 лет |
| Кобальт | 60 | 3,82•10-9 | 5,3 года |
| Радон | 222 | 2,1•10-6 | 3,825 дня |
| Натрий | 24 | 1,28•10-5 | 15,06 часа |
| Углерод | 11 | 5,63•10-3 | 20,4 минуты |
| Литий | 8 | 7,78•10-1 | 0,89 секунды |
Для этого нужно выразить постоянную распада λ через период полураспада Т, который является основной «паспортной» характеристикой радиоактивного вещества:
λ = 0.693/Т , тогда Q = Q0e(-0,693t/T) = KQ0, где К = е-(0,693/T)t
Зная отношение времени t, истекшего с момента образования вещества, к его периоду полураспада Т (t и Т должны быть выражены в одинаковых единицах), можно вычислить величину К (см. таблицу), а затем, зная исходное количество вещества Q0, определить количество его Q для данного момента времени t.
Виды радиоактивного распада
Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад и бета-распад Одновременно (в одном акте распада) альфа- и бета-частицы одним и тем же ядром не выбрасываются (в опыте на рис. имеет место смешанное излучение радия и продуктов его распада).
Как альфа-, так и бета-распад обычно сопровождаются излучением гамма-фотонов.
Для ядер тяжелых элементов характерен альфа-распад, при котором уменьшается общее число нуклонов в ядре и оно становится более устойчивым. Альфа-распад происходит по уравнению (рис.4, в):
zXA → z — 2YA-4 + 2α4.4
В связи с выбрасыванием альфа-частицы заряд ядра и соответственно порядковый номер элемента уменьшаются на две единицы, а массовое число — на четыре единицы. Следовательно, вторичный элемент сдвигается по периодической системе элементов на два номера влево, и атомный вес его уменьшается на четыре единицы (правило сдвига при радиоактивном распаде). В качестве примера можно указать распад радия, в результате которого образуется радон:
88Ra226 =86Rn222 + 2Не4,
при этом излучается гамма-фотон с энергией 0,188 Мэв.
Бета распад
Бета-распад происходит у ядер, неустойчивость которых связана с неблагоприятным соотношением в ядре протонов и нейтронов. Поэтому при бета-распаде происходит взаимное превращение нуклонов.
Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов путем испускания электрона превращается в протон по реакции (рис. 4, а):
0n1 → 1p1 + -1е0,
в результате чего в ядре получается более благоприятное нейтронно-протонное соотношение.
Реакцию можно объяснить исходя из возможности образования в ядре пары электрон-позитрон. При этом позитрон присоединяется к нейтрону и образует протон, а электрон — выбрасывается.
Электронный бета — распад происходит по уравнению (рис. 4, г):
zXA → z + 1YA + β—
В связи с выбрасыванием электрона заряд ядра и соответственно порядковый номер элемента увеличивается на единицу, т. е. вторичный элемент сдвигается в периодической системе элементов на один номер вправо, атомный вес его остается без изменения (правило сдвига).
Характеристика бета распада
Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственных радиоактивных элементов. Например, распад изотопа калия с превращает его в кальций.
Если в ядре имеется излишек, протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором один из протонов распадается на нейтрон и позитрон по реакции (рис. 4, б):
1р1 → 0n1 + +1e0.
Позитрон выбрасывается, а в ядре образуется более устойчивый протонно-нейтронный комплекс.
Позитронный бета-распад происходит по уравнению (рис. 4, д):
zXA → z-1YA + β+
В связи с выбрасыванием позитрона заряд ядра и соответственно порядковый номер элемента уменьшается на единицу и вторичный элемент сдвигается в таблице Менделеева на один номер вправо, атомный вес его остается без изменения.
Позитроний бета-распад наблюдается у некоторых искусственно полученных радиоактивных изотопов. В качестве примера — распад изотопа фосфора с образованием кремния:
P30 → 14Si30 + +1e0. 15
Превращение протона в нейтрон может быть осуществлено также путем захвата ядром одного из собственных электронов, обычно с ближайшей к ядру оболочки К. Это явление называется электронным захватом, или R-захватом, и происходит по реакции:
1р1 + -1е0 → 0n1.
Электронный захват происходит по уравнению (рис. 4, е):
zXA + -1е0 → z — 1YA
и встречается относительно редко. В качестве примера можно указать превращение изотопа бериллия в литий:
4Be7 + -1е0 →3Li7.
Физиками был открыт в эксперименте у ядер, имеющих избыток протонов, новый вид радиоактивного распада с испусканием протонов.
Спонтанное деление ядра
Наиболее редко встречающимся процессом радиоактивного распада является спонтанное деление ядра. Ядро делится на две части, причем выбрасывается 2—3 свободных нейтрона.
Спонтанное деление ядра происходит у тяжелых атомных ядер, например у изотопов трансурановых элементов.
Во многих случаях при радиоактивном распаде ядро нового элемента оказывается в возбужденном состоянии, т. е. находящимся на более высоком энергетическом уровне, чем его основное состояние.
Такое состояние ядра является неустойчивым, ядро излучает гамма-фотон, уносящий избыток энергии, и переходит в устойчивое основное состояние.
Переход ядра из возбужденного в основное состояние может происходить и ступенчато, тогда в одном акте распада излучается несколько гамма-фотонов с разной энергией (разной длины волны).
При испускании гамма-фотона изменяется внутренняя энергия ядра (порядковый номер и атомная масса остаются без изменения).
В качестве примеров можно указать гамма-излучение при распаде радия, распаде радиоактивного изотопа кобальта и т.д.
Возбуждение ядра может быть вызвано также внешним воздействием, сообщающим ядру дополнительную энергию.
Это может быть достаточно сильный удар какой-либо частицей или поглощение гамма-фотона. В последнем случае может также произойти выбрасывание из ядра протона или нейтрона (с соответствующим превращением ядра), называемое ядерным фотоэффектом.
Радиоактивность в природе
Радиоактивные вещества весьма распространены в природе, хотя и встречаются в ничтожных количествах.
Они содержатся в твердых породах земной коры, в воде, воздухе, а также в растительных и животных организмах, в которые они попадают из окружающей среды.
В твердых породах земной коры радиоактивные вещества содержатся преимущественно в урановых рудах. Это — уран, радий, торий и продукты их распада. Количество их имеет порядок десятитысячных долей процента.
У некоторых из этих веществ процесс радиоактивного распада происходит через ряд последующих ступеней. Получается цепочка радиоактивных элементов, называемая радиоактивным рядом.
Радий, например, является промежуточным элементом в цепочке распада урана. Имеется три радиоактивных ряда: ряд урана—радия, ряд тория и ряд актиноурана, долго живущие промежуточные продукты которых встречаются в природы.
Открыт еще ряд плутония.
Ряд урана радия
Начинается изотопом U238 (UI), который является весьма слабо радиоактивным элементом (период полураспада 4,56•109лет).
Далее ряд содержит другие радиоактивные изотопы урана, изотоп тория, радий, радон, изотопы полония, свинца и висмута (RaA — RaE), полоний и заканчивается стабильным изотопом свинца, который называется радиевым свинцом.
В почве содержится радиоактивный изотоп калия К40, количество которого может доходить до небольших долей процента.
К этому присоединяются изотопы углерода С14 и водорода Н3, которые образуются в атмосфере под действием нейтронов космического излучения, и из нее поступают в земную кору.
Меньшее значение имеют находящиеся в почве радиоактивные изотопы рубидия Rb87, кальция Са48 и др. В природных водах имеются радиоактивные вещества, вымываемые из почвы и из горных пород.
Концентрация их имеет порядок 10-10—10-12кюри/л. В некоторых минеральных источниках содержится в растворенном виде радиоактивные газы радон и торон.
Эти источники используются для лечебных целей. В настоящее время радоновые ванны приготовляются также и искусственно.
Радон и торон содержатся в ничтожных количествах также в атмосферном воздухе.
Растения усваивают радиоактивные вещества из почвы, воды и атмосферы. Поэтому они содержат все указанные вещества и особенно радиоактивный изотоп углерода С14, который они получают с углекислотой из атмосферы.
Животные принимают радиоактивные вещества с пищей, но и выводят с экскрементами, поэтому накопления их в организме не происходит.
Таким образом, везде в природе, где имеются радиоактивные вещества, происходит и радиоактивное излучение, которое вместе с космическим составляет естественный радиоактивный фон.
Есть основания полагать, что в процессе эволюции растения и животные приспособились к этому радиоактивному фону, как и к прочим физическим факторам внешней среды, которые стали необходимы для нормальной жизнедеятельности.
Проникающая и ионизирующая способность радиоактивного излучения
Обладающие высокой кинетической энергией альфа- и бета-частицы или гамма-фотоны радиоактивного излучения, проникая в вещество, взаимодействуют с электронами атомов, выбивают их из орбит и таким образом ионизируют вещество. Ионизация есть основное действие радиоактивного излучения на вещество.
По мере проникания частиц радиоактивного излучения в глубь вещества в результате ряда последующих соударений энергия частиц постепенно уменьшается и, наконец, когда она достигает уровня теплового движения, поступательное движение частиц, а следовательно, и ионизация прекращаются.
Альфа-частица присоединяет два электрона (из свободных электронов, имеющихся во всяком веществе) и превращается в атом гелия.
Отрицательная бета-частица (электрон) остается в свободном состоянии или присоединяется к какому-либо атому или иону вещества.
Положительная бета-частица (позитрон) соединяется со свободным электроном и превращается в два гамма-фотона.
Гамма-фотон поглощается электроном, с которым он имел последнее соударение.
Поэтому, чем больше ионизирующая способность одних и тех же частиц, тем меньше их проникающая способность, и наоборот.
Ионизирующее действие частиц прямо пропорционально их кинетической энергии и второй степени заряда. Последнее связано с тем, что взаимодействие («соударение») заряженных частиц происходит преимущественно через их электрические поля при сближении на достаточно малое расстояние. Для пояснения этого на рис. 5 условно показаны силовые линии электрических полей некоторой заряженной частицы А и атома Б, с которым она взаимодействует (атом имеет на внешней оболочке шесть электронов).
Когда к атому приближается быстро движущаяся отрицательно (рис. 5,):
- или положительно (рис 5,)
- заряженная частица, то она прежде всего испытывает отталкивающее или притягивающее действие электронной оболочки. Если энергия ее достаточно высока, то частица проникает внутрь электронной оболочки атома и, в зависимости от знака заряда, отталкивая (рис. 5, б) или притягивая (рис. 5,
- электроны, срывает их с основных орбит. Происходит ионизация атома.
Проникающая способность частиц радиоактивного излучения характеризуется пробегом в воздухе или наибольшим расстоянием, на которое проникают в воздухе (при атмосферном давлении) те или иные частицы.
Удельная ионизация
Ионизирующее действие частиц оценивается удельной ионизацией — числом пар ионов, образуемых частицей в воздухе на протяжении 1 см пути пробега.
Учитывая, что в среднем на образование одной пары ионов в воздухе затрачивается энергия, равная 34 эв, и зная начальную энергию частицы, можно вычислить количество ионов, которое она образует в воздухе на полном пути пробега.
Зная пробег, определить и удельную ионизацию.
Интенсивность ионизации, которую производит данная частица, зависит также и от природы вещества. Чем выше атомный номер и больше плотность вещества, тем с большим количеством электронов столкнется частица на единичном пути пробега, тем интенсивней будет ионизация и меньше глубина проникновения.
Альфа-частицы, благодаря двойному элементарному заряду и высокой энергии, производят весьма интенсивную ионизацию и потому проникают в вещество относительно не глубоко.
Пробег в воздухе в зависимости от энергии частицы колеблется от 2,5 до 8 см. В тканях организма они проникают на глубину до одной десятой доли миллиметра.
Однако на своем относительно незначительном пути пробега в воздухе альфа-частица вместе с вторичными электронами создает от 100 до 250 тыс. пар ионов.
На 1 см пробега это составляет до 40 тыс. пар ионов, что характеризуется как исключительно высокая плотность ионизации.
Благодаря малой глубине проникания защитой от альфа-частиц может служить тонкий слой любого вещества, даже просто бумажный экран.
Ионизация бета-частицы
Бета-частицы производят значительно менее интенсивную ионизацию и благодаря этому проникают в веществе на относительно большую глубину.
В зависимости от энергии пробег бета-частиц в воздухе имеет порядок от десятков сантиметров до нескольких метров.
В тканях организма бета-частицы проникают на глубину до 10—15 мм.
Бета-частицы, обладая различной энергией, поглощаются веществом неравномерно и проникают на различную глубину, производят ионизацию различной интенсивности. На пути пробега в воздухе бета-частица создает от 1 до 25 тыс. пар ионов, что составляет до 40—50 пар ионов на 1 см пробега.
Для защиты от бета-излучения может служить, например, плексигласовый или алюминиевый экран толщиной в несколько миллиметров.
Гамма-фотоны
Гамма-фотоны отличаются высокой проникающей способностью. Пробег их в воздухе составляет десятки и даже сотни метров.
В тканях организма гамма-излучение проникает на большую глубину или проходит насквозь тело человека. Первичная ионизирующая способность гамма-фотонов невысока: на пути пробега в воздухе гамма-фотон образует от 10 до 250 пар ионов, что составляет всего несколько пар ионов на 1 см пробега.
Это связано с отсутствием у них электрического заряда.
Однако полный ионизационный эффект от гамма излучения с учетом ионизирующего действия электронов, выброшенных из атома при соударении с фотоном и получивших при этом достаточно высокую энергию, может быть весьма значительным.
Для защиты от гамма-излучения применяют толстые слои земли, бетона и т. п. или тяжелые металлы, например свинцовый экран толщиной в несколько сантиметров.
Наблюдения радиоактивных явлений
Для наблюдения и регистрации радиоактивного излучения в основном используются люминесценция, действие на фотоэмульсию (радиография), а также некоторые физические процессы, происходящие в связи с ионизирующим действием радиоактивных излучений.
Наиболее простым прибором для наблюдения альфа-частиц является спинтарископ. Прибор состоит из трубки, на дне которой расположен экран 3, покрытый слоем флуоресцирующего вещества.
На небольшом расстоянии от экрана расположена игла, на конец которой нанесено радиоактивное вещество Р.
Испускаемые им альфа-частицы, ударяясь об экран, вызывают вспышки света, называемые сцинтилляциями, которые наблюдаются при помощи окуляра О.
Некоторые приборы для регистрации и наблюдения быстро движущихся заряженных частиц основаны на том, что образующиеся при этом ионы служат центрами, вокруг которых происходят конденсация пара (камера Вильсона), закипание жидкости (пузырьковая камера) и т. п.
Камера Вильсонасостоит из металлического цилиндра К со стеклянным торцом С, в котором находится поршень П или резиновая диафрагма, разделяющие камеру на две части.
Верхняя часть камеры заполняется смесью инертного газа (гелий, аргон) с насыщенным паром какой-либо жидкости (вода, спирт).
Нижняя часть соединяется с насосом, с помощью которого можно вызвать резкое опускание поршня или диафрагмы. При этом газ в верхней части камеры адиабатически расширяется, температура его снижается и создаются условия для конденсации пара.
Если при этом через камеру пролетает заряженная частица (испускаемая радиоактивным препаратом Р), которая образует на своем пути цепочку ионов, то вокруг этих ионов происходит конденсация пара и образуется след из капелек тумана.
Таким образом, движение каждой ионизирующей частицы сопровождается образованием туманного следа или трека, заметного даже невооруженным глазом. Обычно они фотографируются.
След, оставленный в камере частицей, зависит от ее ионизирующей способности. Поэтому во многих случаях по следу бывает возможно определить массу и энергию, а в некоторых случаях и природу частиц.
Например, электроны оставляют тонкий изогнутый след, альфа-частицы — толстый прямой след.
Частицы, не имеющие заряда, например гамма-фотоны или нейтроны, не производят значительной ионизации газа и потому не оставляют первичного следа в камере.
Они могут быть обнаружены по вторичным следам, которые образуют электроны и ядра отдачи, возникшие в результате соударения с рассматриваемой частицей.
Для определения знака заряда частицы по предложению акад. Д. В. Скобельцына камера Вильсона помещается в сильное магнитное поле, линии напряженности которого перпендикулярны плоскости дна камеры.
При этих условиях траектории заряженных частиц в камере принимают форму дуги окружности. Отрицательно заряженные частицы отклоняются в одну сторону, положительные — в противоположную.
Пузырьковая камера представляет сосуд, наполненный сжиженным газом, например водородом, при высоком давлении и при температуре, близкой к точке кипения.
Если в камере быстро снизить давление, то жидкость оказывается перегретой. Тогда пролетающая сквозь нее ионизирующая частица будет вызывать закипание жидкости и по пути движения частицы образуется след из пузырьков газа, подобный следу в камере Вильсона.
Пузырьковая камера с более плотной средой быстро замедляет частицы, что дает возможность наблюдения частиц с высокой энергией, которые оставляют слишком слабый след в камере Вильсона.
Действие быстро движущихся частиц на фотоэмульсию используется в форме двух основных методов: толстослойных пластинок и авторадиографии.
Метод толстослойных фотопластинок, разработанный советскими учеными Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым, основан на том, что быстра Движущиеся внутри фотоэмульсии частицы активируют молекулы содержащегося в ней бромистого серебра, аналогично действию света при обычной фотографии.
Применяются специальные толстослойные мелкозернистые эмульсии с повышенным содержанием бромистого серебра. После проявления в эмульсии выявляется черный след частицы, состоящий из зерен коллоидного серебра.
След рассматривается в микроскоп, характер его дает возможность судить о массе, заряде и скорости движения частицы.
В биологии и медицине широкое распространение имеет метод авторадиографии. Метод заключается в получении отпечатков при контактном действии на фотографическую пленку каких-либо тел, содержащих радиоактивные вещества (обычно это срез какого-либо органа или ткани).
По степени почернения фотоэмульсии после проявления можно определить общее содержание (активность) радиоактивных веществ в исследуемом объекте.
Можно получить также данные о распределении этих веществ в структурных элементах объекта и т. п.
Для более тонких исследований межклеточного распределения радиоактивного вещества применяют метод гистоавторадиографии, при котором приготовленный для микроскопирования срез ткани исследуется под микроскопом совместно с его авторадиограммой.
Статья на тему Радиоактивность