Естественная радиоактивность (открытие Беккереля). Состав и свойства радиоактивных излучений
В 1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. А. Беккерель изучал флуоресценцию урановой смолки. И однажды он обнаружил, что даже при условии, что свет не падает на урановый препарат, завернутый в бумагу, тот все равно излучает лучи, которые Беккерель ранее считал рентгеновскими. Он думал, что флуоресценция получается тогда, когда солнечный свет попадает в урановую смолку, а вследствие этого она излучает рентгеновские лучи.
Оказалось, что никакого предварительного обучения не нужно, смолка все равно излучает какие-то лучи.
В 1898 году супруги Пьер и Мария Кюри опубликовали результаты своих работ. Они выяснили, что такое свойство излучать присуще не только урановой смолке и урансодержащим материалам, а такое же излучение дает торий. Вследствие экспериментов, супруги Кюри пришли к выводу, что в смолке содержатся элементы, которые обладают большей активностью излучения лучей. В июле 1898 года супруги Кюри опубликовали открытие новых элементов. Первый из них – полоний, а второй, который был более сильным по активности излучения, – радий.
Также супруги Кюри ввели термин – радиоактивность.
В 1899 году Э.Резерфорд опубликовал свои исследования, в которых он дифференцировал радиоактивное излучение на три компонента: α-, β- и γ- лучи. Он обнаружил, что излучение содержит один положительно заряженный компонент – α, отрицательно заряженный компонент – β, и нейтральный компонент – γ.
В 1900 году П. Виллар обнаружил дифракцию γ-лучей и подтвердил их волновую природу. γ-лучи оказались квантами больших энергий. Они принадлежат спектру электромагнитных волн.
В 1901 году А. Беккерель измерил отношение величины заряда к массе у β-частиц. Он доказал, что β-частицы – это электроны больших энергий, движущиеся с очень большой скоростью.
где
с – скорость света
В 1902 году Э. Резерфорд установил, что в урановой смолке имеются летучие компоненты, которые он назвал эманация тория, эманация радия. В дальнейшем оказалось, что это радиоактивный газ – полоний.
В 1903 году Э.Резерфорд измерил отношение величины заряда к массе у α-частиц. Чтобы это измерить, потребовалось создать очень сильные магнитные поля. Резерфорд установил, что α-частицы – это ядра гелия.
В 1903 году А. Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию.
Пьер и Мария Кюри исследовали свойства α-излучения.
Они ввели понятие активность радиоактивного препарата (а). Мария Кюри установила, что за 1 час 1 г радия выделяет энергию W. И затем вычислила, сколько энергии приходится на одну α-частицу (W α).
где
ΔN – число распадов в радиоактивном препарате
Δt – единица времени
N – количество вещества
λ – постоянная распада
1 Ки – 1 Кюри
Получилась огромная энергия:
В дальнейшем Мария Кюри уточнила свои эксперименты. Оказалось, что чистые α-частицы дают Wα = 4,7 МэВ
Во всех изученных радиоактивных препаратах энергия α-частиц, вылетающих из ядра, лежит в пределах [3÷10] МэВ.
α-частицы обладают малой проникающей способностью, они очень действенны. Частица, имея такую энергию, пробегает в воздухе: 
За это время она проводит ионизацию сотен тысяч атомов, образуя сотни тысяч пар ионов.
α-частицы проникают через тонкое стекло, через тонкую металлическую фольгу.
А. Беккерель и Кауфман изучали свойства β-лучей.
А.Беккерель показал, что:
где
Wk – кинетическая энергия β-частиц
При такой энергии масса электрона начинает меняться. Кауфман измерил зависимость массы от скорости движения. Он экспериментально нашел выражение для зависимости массы электрона от скорости его движения:
где
mβ – масса движущегося электрона
m0е – масса покоящегося электрона
Для вычисления кинетической энергии β-частицы, надо пользоваться формулами из теории относительности:
β-излучение обладает большой проникающей способностью. При этом ионизирующая способность β-излучения небольшая, так как она на очень большой скорости пролетает атом, почти не успевая его ионизировать:
От β-излучения может спасти прорезиненная одежда, которая применяется в экспериментах.
Виллар показал, что γ-лучи представляют собой кванты электромагнитного излучения, очень высокой частоты и маленькой длины волны.
где
lпр – длина свободного пробега
Чтобы защититься от γ-излучения, которое имеет вредные последствия для организма, необходима преграда в виде свинца, толщиной не менее 1 дм.
Таким образом, к 1903 году сложилось ясное представление о том, что такое радиоактивность.
Радиоактивное излучение является следствием спонтанного превращения ядер одних элементов в ядра других элементов, с выбросом либо α-частицы(ядро гелия), либо β-частицы (электрона), что приводит к изменению заряда и массы ядер. Получаются новые ядра, но сам процесс является спонтанным. В данной ситуации необходимо применять законы статистического характера.
Приборы для изучения радиоактивного излучения:
1. Счетчик Гейгера–Мюллера (подсчитывает число радиоактивных частиц, вылетевших из препарата), 1908–1928 г.г.
2. Камера Вильсона (позволяет проследить треки радиоактивных частиц), 1912 г.
3. Пузырьковая камера Глезера, 1952.