Радиоактивность

Часть 1: Радиоактивные распады и типы ядерных излучений. Видео

Часть 1: Радиоактивные распады и типы ядерных излучений

Следующий этап развития физики микромира был связан уже с изучением внутреннего строения атомных ядер. На самом деле первая экспериментальная информация о строении ядер появилась еще до того, как мы узнали об их существовании. В 1896 году Антуаном Анри Беккерелем было открыто явление радиоактивности (способность некоторых веществ самопроизвольно испускать радиоактивные излучения). Беккерель наблюдал радиоактивность разных соединений урана. Испускаемые ими излучения проходили через многие непрозрачные предметы и распространялись подобно световым лучам (например, удалось получить на фотопластинке изображение металлического крестика, лежащего на урановой соли и завернутого вместе с солью в плотную бумагу). Помещая радиоактивный препарат в магнитное поле и изучая реакцию на него излучений, физикам удалось их классифицировать по удельному заряду (ясно, что для потока заряженных частиц вызванное полем отклонение зависит как раз от отношения заряда частиц к их массе). В результате был сделан вывод, что радиоактивные излучения являются потоками субатомных частиц. Обычно это:

\alpha -частицы - ядра атомов гелия, имеющие массу, равную 4 атомным единицам массы (а.е.м.) - примерно 6,645 \cdot 10^{-27} кг - и заряд +2 e ;

\beta -частицы - отрицательно заряженные электроны;

\gamma -частицы - фотоны («сгустки» энергии электромагнитного излучения) высокой энергии, которые отвечали частотам излучения намного выше, чем у видимого света.

Впоследствии было выяснено, что радиоактивность связана с процессами, происходящими «внутри» атомного ядра. Кроме того, было обнаружено, что у достаточно тяжелых ядер есть и другие типы излучений - потоки частиц, похожих на другие ядра (положительно заряженные и массивные). В итоги к явлению радиоактивности стали относить все спонтанные (самопроизвольные) процессы, в которых происходят изменения заряда, массы или состояния атомных ядер. Их стали подразделять на радиоактивные распады (соответственно \alpha, \beta и \gamma -распады) и спонтанное деление атомных ядер (процесс, в котором тяжелое ядро самопроизвольно разделяется на несколько более легких нуклидов). Термин нуклид был введен для обобщения понятия «атомное ядро» - некоторые образования, по свойствам похожие на атомные ядра и по сути являющиеся «кусочками ядерной материи», слишком нестабильны, так что реальные атомы с такими объектами в роли ядер не существуют.

При «бомбардировке» атомных ядер разными частицами (в том числе другими ядрами) физикам удалось наблюдать много новых процессов, которые не происходили самопроизвольно - в этом случае стали говорить об «искусственной» (или «индуцированной») радиоактивности. Для обозначения вообще всех процессов с изменением зарядов и масс ядер был введен термин «ядерные реакции». Одним из самых интересных ядерных реакций, которые не могут происходить спонтанно, являются реакции ядерного синтеза, в которых легкие ядра сливаются, образуя ядра более тяжелые. Такие реакции, например, являются источником энергии, обеспечивающим свечение звезд Главной последовательности (в частности, нашего Солнца). Тут важно обратить внимание, что все ядра атомов обычных веществ заряжены положительно, и они отталкиваются друг от друга. Поэтому для запуска реакции синтеза им нужно сблизиться, преодолев кулоновское отталкивание, а для этого они должны иметь значительный запас кинетической энергии и находиться достаточно близко. Значит, реакции ядерного синтеза могут происходить в веществе с очень высокой температурой и плотностью (в этом случае говорят о термоядерном синтезе). Значительные усилия направлены на создание термоядерного реактора, которое может решить энергетические проблемы человечества.

Отметим, что характерные кинетические энергии частиц, участвующих в ядерных реакциях, намного больше, чем энергии частиц, участвующих в химических реакциях. В атомной и ядерной физике принято измерять энергию частиц не джоулях (это слишком большая величина энергии для частицы микромира), а в электронвольтах (эВ). Эта единица отвечает кинетической энергии, которую приобретает в электрическом поле электрон, проход между точками с разностью потенциалов в 1 B . С учетом величины элементарного заряда ясно, что 1 эВ \approx 1,602 \cdot 10^{-19} Дж. В химических реакциях, в которых происходят изменения расположения атомов и распределения электронов в молекулах, характерные значения кинетической энергии отдельных частиц в большинстве случаев лежат в интервале от 0,1 эВ до 100 эВ. В ядерных распадах кинетические энергии вылетающих частиц обычно находятся в интервале от 0,1 МэВ до 10 MэВ , то есть почти в миллион раз больше!

Энергия \alpha -частицы с массой m \approx 6{,}645\cdot 10^{-27} кг равна 1{,}5 МэВ. Найдите ее скорость. Ответ запишите в км/с с точностью до сотен.

Из капсулы с радиоактивным препаратом вылетающие частицы направлялись в калориметр для измерения их энергии, которая оказалась равна E \approx 4{,}138 МэВ. В магнитном поле с индукцией B = 1 Тл частицы отклоняются в сторону, отвечающую положительным зарядам, причем их трек имеет радиус кривизны R \approx 294 мм. Рассчитайте возможные значения массы этих частиц и определите, могут ли это быть:

1) протоны с зарядом +e \approx 1{,}602\cdot 10^{-19} Кл и массой m \approx 1{,}673\cdot 10^{-27} кг;

2) нейтральные фотоны с нулевой массой покоя;

3) дейтроны с зарядом +2e \approx 3{,}204\cdot 10^{-19} Кл и массой m \approx 3{,}344\cdot 10^{-27} кг;

4) \alpha -частицы с зарядом +2e \approx 3{,}204\cdot 10^{-19} Кл и массой m \approx 6{,}645\cdot 10^{-27} кг;

5) электроны с зарядом -e \approx -1{,}602\cdot 10^{-19} Кл и массой m \approx 9{,}1\cdot 10^{-31} кг.

Считайте, что отклонение расчетного значения массы от действительного для описанного эксперимента не должно превышать 1 %. В ответе укажите номер выбранного варианта.