4. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
Типы радиоактивных излучений . Природа излучения, испускаемого радиоактивными элементами, может быть выяснена, если поместить радиоактивный образец в постоянное магнитное поле, что дает возможность выяснить, несет ли испускаемое излучение электрический заряд определенного знака (положительно и отрицательно заряженные частицы отклоняются в разные стороны в магнитном поле). Далее можно исследовать проникающую способность радиоактивного излучения, ставя на его пути экраны из разных веществ и разной толщины.
Было выяснено, что существуют три типа радиоактивного излучения, получивших название альфа-, бета- и гамма-радиоактивности .
Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц и обладают наименьшей проникающей способностью (они полностью поглощаются поставленным на их пути листком бумаги). Бета-лучи сильно отклоняются в противоположную альфа-лучам сторону, т.е. их заряд отрицателен. При этом пучок бета-лучей расширяется при отклонении, что свидетельствует о разных скоростях частиц в пучке. Проникающая способность бета-лучей много больше, чем у альфа-лучей. Наконец, гамма-лучи не несут заряда (они не отклоняются магнитным полем) и обладают очень большой проникающей способностью.
В результате серии экспериментов была выяснена природа этих лучей.
1. Было показано, что гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение короткой длины волны (более короткой, чем рентгеновское излучение). Наблюдения дифракции гамма-излучения на кристаллах, аналогичное дифракции рентгеновских лучей, полностью убедили физиков в том, что это электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10 -8 -10 -11 м.
2. Стандартными методами было изучено отклонение бета-лучей в магнитном и электрическом полях и измерено отношение заряда этих частиц к их массе e/m . Бета-лучи оказались потоками электронов самых разных энергий.
3. Э. Резерфорд измерил отношение e/m для альфа-лучей, оказавшееся вдвое меньше, чем для иона атома водорода. Это означало, что масса, приходящаяся на один элементарный заряд, у альфа-частиц вдвое больше, чем у иона + . Далее Резерфорд убедился в отдельном эксперименте, что заряд альфа-частиц равен удвоенному элементарному заряду. Отсюда следовало, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы иона водорода, т.е. альфа-частицы представляют дважды ионизованные атомы гелия Не ++ (к тому времени атомное ядро еще не было открыто, так что говорили об ионах атомов).
Закон радиоактивного распада . Главное свойство радиоактивного вещества - способность к спонтанному распаду. Это означает, что ядра вещества распадаются по случайному, статистическому закону. Важно понять, что невозможно точно определить, сколько времени проживет отдельное ядро, прежде чем оно распадется. Вопрос о времени жизни радиоактивного вещества может быть корректно поставлен только в том случае, когда рассматривается большой коллектив одинаковых ядер и говорится о вероятности распада определенного количества ядер за какое-то время. Представьте два ядра одного и того же радиоактивного элемента. Одно ядро было создано внутри звезды 5 миллиардов лет тому назад, другое - в ядерной реакции в земной лаборатории 5 минут назад. Вероятность распада в течение следующей минуты одинакова для обоих ядер, независимо от того, когда они были созданы. Это главное свойство статистического закона радиоактивного распада иногда формулируют в виде утверждения, что радиоактивные ядра не стареют .
Пусть имеется N радиоактивных ядер. Количество распавшихся за время dt ядер обозначим dN . Тогда относительное уменьшение числа ядер dN/N должно быть пропорционально интервалу времени dt (в этом и заключается статистический характер распада, независимость вероятности распада от времени):
Знак минус в этом выражении соответствует уменьшению числа ядер при распаде, константа l характеризует конкретное радиоактивное вещество и называется постоянной распада. Написанное уравнение можно легко проинтегрировать. В результате
Здесь N 0 - число распадающихся ядер в начальный момент времени.
Из полученного закона радиоактивного распада видно, что чем больше постоянная распада, тем быстрее происходит распад. Величина t = 1/ l носит название времени жизни данного радиоактивного ядра . Найдем время, за которое распадается половина первоначально имевшихся ядер. Это время называется периодом полураспада 1/2 . Подставляя N 0 /N = 2 и беря натуральный логарифм от обеих частей равенства, находим: ln 2 = l T 1/2 , откуда
Чем больше постоянная распада l , тем меньше период полураспада .
Биологическое действие радиоактивных излучений . Радиоактивные излучения губительным образом действуют на живые клетки. Степень поражения живого организма зависит от поглощенной дозы излучения, равной отношению поглощенной энергии излучения E к массе облученного тела m :
Размерность поглощенной дозы: [D] = Гр (грей) = 1 Дж/кг .
Предельно допустимая за год доза для человека равна 0,05 Гр. Доза в 3 - 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.