Шкільні прилади і досліди для вивчення і рахунку іонізуючих частинок

Хімічними дослідженнями доведено: радіоактивні речовини, які випромінюють β-промені, поступово нагромаджують у собі атоми елементів, що мають порядковий номер, на одиницю більший, ніж атомний номер основної випромінюючої речовини, тобто β-проміння змінює хімічну природу атома. З цього випливає висновок про ядерне походження і β-променів. Ядро атома має складний характер, бо воно випромінює частинки різної природи.

Слід ознайомити учнів з типами радіоактивного розпаду: α-розпадом, β -розпадом і γ-розпадом.

У верхній частині мал. 6 показано випадок α-розпаду, коли з ядра елемента вилітає α-частинка, що має заряд +2 і масове число 4. На своєму шляху α-частинка багато разів стикається з атомами середовища і, нарешті, приєднує до себе вільні електрони, перетворюючись в атом гелію.

У нижній частині малюнка показано схему β -розпаду, який полягає у випромінюванні частинок із значно меншою масою, ніж маса α-частинки. При цьому розпаді заряд ядра збільшується на одиницю.

Отже, випромінюючи α- чи β -проміння, атоми радіоактивної речовини змінюються — перетворюються в атоми іншого хімічного елемента. Оскільки α-частинка виносить із собою позитивний заряд у 2 одиниці і масу в 4 одиниці, то у випадку α-розпаду радіоактивний елемент перетворюється в елемент, що має порядковий номер на 2 одиниці менший, ніж початковий, і атомну масу (масове число), на 4 одиниці меншу. У випадку β-розпаду радіоактивний елемент перетворюється в елемент, що має порядковий номер на одиницю більший, але таку саму атомну масу. Маса β-частинки дуже мала порівняно з атомною одиницею, тому випромінювання β -частинки не зменшує касового числа атома.

Відомі такі радіоактивні ряди — сім'ї: урану — радію, торію й актинію. При розпаді цих елементів кінцевими є атоми нерадіоактивного свинцю, але з різною атомною масою (урановий свинець має атомну масу 206, торієвий — 208, актинієвий — 207, тоді як атомна маса звичайного свинцю — 207,21).

Розглянувши наприклад, процес радіоактивного розпаду урану, матимемо ряд, наведений у таблиці (мал. 7); цю таблицю учням тільки показуємо, але докладно не вивчаємо. У ній подано значення атомної маси (масове число) ядра, порядковий номер і назви проміжних елементів, в які поступово перетворюється уран. З таблиці видно, як внаслідок α- і β -розпаду уран послідовно перетворюється в протактиній, актиній, радій, радон, полоній, вісмут і свинець.

Під час радіоактивного розпаду поступово зменшується й кількість атомів радіоактивного елемента. Щодо тривалості розпаду елементи бувають різні. Виходячи з різної інтенсивності розпаду, домовились для кожного елемента визначати тривалість часу, за який розпадається половина атомів радіоактивної речовини.

Пізніше, після вивчення будови ядра, можна пояснити причину радіоактивності.

α-розпад найчастіше відбувається в елементах, які містяться в кінці періодичної системи, проте цей розпад може бути і в ізотопах рідкоземельних елементів, розміщених усередині таблиці. Процеси α-розпаду пояснюються особливостями розміщення протонів і нейтронів у ядрах. Подібно до розміщення електронів в ато-

мах протони й нейтрони також розміщуються в ядрі за різними рівнями енергії. На кожному рівні вміщується певна кількість протонів чи нейтронів: 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ймовірність процесів α-розпаду залежить від наявності певної кількості нейтронів в ізотопах елементів. Процеси α-розпаду пояснюються за так званою оболонковою моделлю атомного ядра.

β-розпад виявляється в трьох видах: випромінювання електрона, випромінювання позитрона і поглинання електрона з найближчих до ядра електронних оболонок (при цьому заряд ядра зменшується на одиницю). У ядрі немає електронів і позитронів, тому випромінювання з ядра пояснюється процесами взаємоперетворення, що відбуваються в ньому. Наприклад, Рֿ-розпад відбувається під час перетворення нейтрона в протон і випромінювання при цьому електрона; Р+-розпад — під час перетворення протона в нейтрон і випромінювання при цьому позитрона.

Під час випромінювання електронів і позитронів вилітають також нейтрино (або антинейтрино) — частинки, що не мають маси спокою.

У процесі захоплення ядром електрона з електронної оболонки відбувається ядерна реакція:

р + eֿ→ n + ν

(протон захоплює електрон і  перетворюється в нейтрон з  випромінюванням нейтрино).

Спонтанний поділ ядер відбувається тільки у важких елементах. Пояснюються ці процеси за так званою крапельною моделлю ядра Подібно до краплини рідини, здатної до поділу на дрібніші краплини при наданні їй енергії, ядро у збудженому стані може поділитися спонтанно.

γ-промені, як і рентгенівські, — один з видів електромагнітного випромінювання, але довжина хвилі γ-променів значно коротша, ніж рентгенівських. Рентгенівські промені виникають в атомі при переході електронів з вищої оболонки в нижчу. При цьому виділяється енергія у вигляді рентгенівського випромінювання. Отже, природа рентгенівського випромінювання електронна. Іншою є природа - у променів, які утворюються під час процесів, що відбуваються в ядрі атома. Набувши деякого надлишку енергії, ядро атома приходить у збуджений стан, нестійкий; при переході у стан нормальний, незбуджений, воно випромінює енергію у вигляді γ-променів.

У процесі α- і β-перетворень новоутворені ядра звичайно ребувають у збудженому стані. При переході їх у стан нормальний відбувається γ-випромінювання одночасно з α- і β-випромінюванням.

Іноді в учнів створюється неправильне уявлення про період піврозпаду. Вони вважають, що період повного розпаду радіоактивної речовини має дорівнювати 2Т. Насправді, якщо через час Т залишається половина початкової кількості ядер речовини, то через час 2Т залишиться половина від половини, тобто 1/4 початкової кількості речовини, через час 3Т — 1/8 цієї кількості і т. д.

Розглядаємо деякі приклади радіоактивного розпаду. Кількість атомів еманації радію зменшується наполовину за 3,8 доби; це й буде її періодом піврозпаду. Через два періоди піврозпаду залишиться вже 1/4 частина еманації радію, а за 4 періоди, тобто через 11,4 доби — 1/8 і т. д. Слід навести приклади великих періодів піврозпаду елементів, наприклад 4,5 мільярда років для урану. В одному грамі урану є 3 ּ 1021 атомів, отже, за одну секунду розпадається 12 000 атомів, що становить дуже малу частину загальної його кількості. Період піврозпаду радію 1550 років.

З явища радіоактивного розпаду випливає висновок про складну будову ядра, а також про можливість перетворення одних елементів в інші.

Важливо підкреслити, що не завжди радіоактивна речовина випромінює всі три види проміння одночасно. Содді і Резерфорд встановили, що коли з розчину солі радію добути випаровуванням знову тверду сіль радію, то вона вже не випромінює β- і γ-проміння, а тільки α-проміння.

Відкриття радіоактивності і дослідження властивостей α-, β- і γ-проміння підтвердили думку про складну будову атома.

 2.2 Експериментальні методи реєстрації заряджених частинок. Розглядаємо такі методи реєстрації заряджених частинок: спінтаріскоп, іонізаційна камера (Віль-сона), бульбашкова камера, лічильник Гейгера-Мюллера. Найпростішим з них є спінтарископ.

Спочатку розглядаємо принцип дії камери Вільсона. З курсу 9 класу учні вже знають, що водяна пара при зниженні температури конденсується в дрібні краплинки води. Центрами конденсації стають пилинки або іони, що є в повітрі.

Якщо якась частинка, здатна іонізувати газ, пролетить через очищене від пилинок і перенасичене водяною парою повітря, вона утворить багато іонів, які стануть центрами конденсації. Іонізуюча частинка залишить у такому повітрі слід —тонку смужку туману, що дає можливість її виявити. Це явище й покладено в основу конструювання іонізаційної камери.                                 Схему будови камери показано на мал. 8. Основою приладу є невелика циліндрична   закрита   посудина,   дном   якої   є   поршень   насоса (іноді   мембрана).   Посудину   наповнюють   повітрям,  насиченим водяною парою, що надходить у спеціальні  камери (ліворуч). Якщо повітря  адіабатичне розширювати,  пересуваючи поршень насоса вниз, то температура повітря в приладі знижуватиметься,   і   пара,  що є   в ньому, стане перенасиченою.

При проходженні через камеру швидкі  а-частинки від радіоактивного джерела іонізують повітря;  утворені іони стають центрами конденсації, і на них осідають краплинки води; шлях частинки стає видимим і має вигляд туманного сліду, α-частинки залишають

товстіший слід, ніж β-частинки (мал. 9), оскільки вони мають більшу іонізуючу здатність. Картину, що утворилася в камері, фотографують і вже потім досліджують. Тому сучасні камери забезпечують фотоапаратами (мал. 10).

За пропозицією радянських фізиків П. Л. Капіци і Д. В. Скобельцина, для визначення заряду і швидкості руху елементарних частинок, а також питомого заряду частинок  камеру вміщують у магнітне поле, яке викривляє шляхи (траєкторії) частинок. Характер заряду частинки можна визначити за кривизною траєкторії, а швидкість частинки — за радіусом кривизни (знаючи масу і заряд).

Показуємо малюнки (краще проектувати заздалегідь виготовлені діапозитиви слідів α- і β-частинок (мал. 11) і демонструємо дію камери фабричного зразка чи саморобну.

Для дослідження частинок з великою енергією користуються бульбашковою камерою. Схему такої камери показано на мал. 12. Вона являє собою скляну посудину, наповнену зрідженим газом (водень, пропан). Рідину стискають і нагрівають вище за точку

кипіння, після чого тиск різко знижують і впускають у камеру потік променів, під впливом якого і утворюється ланцюжок бульбашок. Для реєстрування окремих частинок, а іноді й для визначення їх енергії застосовуються лічильники. Найпростіший лічильник складається з металевого циліндра завдовжки 10—20 см, діаметром 1—2 см, через який протягнуто металеву нитку діаметром близько 0,1 мм (мал. 13). Циліндр і нитка — це електроди приладу, що вмикаються в коло з джерелом високої напруги: позитивний полюс джерела приєднується до нитки, негативний — до корпусу циліндра; іноді позитивний полюс заземлюється, як показано на малюнку. Циліндр наповнюється сумішшю газів, наприклад аргону й пари спирту, до тиску 10—15 см рт. ст. На нитку подається позитивний потенціал з таким розрахунком, щоб різниця потенціалів між ниткою і циліндром була меншою за пробивну напругу.

Коли вмикається джерело напруги, навколо нитки утворюється сильне електричне поле. Заряджені частинки, пролітаючи між внутрішньою стінкою циліндра й ниткою, іонізують молекули газу. Утворені внаслідок іонізації вільні електрони прискорюються в електричному полі нитки і починають самі іонізувати молекули газу в циліндрі. Утворювані вторинні електрони теж починають іонізувати молекули газу в циліндрі. Так утворюється лавина електронів, що потрапляють на нитку приладу і збуджують значний імпульс струму, який ще збільшується за допомогою підсилювача.

Для приладу добирається така напруга джерела, щоб кожний електрон, який вибиває радіоактивна частинка, зміг утворити кілька сот чи тисяч пар іонів. Цей процес називається газовим підсиленням струму, збудженого даною частинкою. Проходячи через резистор, який вмикається в коло лічильника, струм спричинює спад напруги на ньому, що й створює короткочасний імпульс, який реєструється. За величиною імпульсу визначається природа частинок, що потрапляють у прилад (електрони, α-частинки), а в окремих випадках — і їх енергія.

Радянські фізики Л. В. Мисовський і О. П. Жданов розробили спосіб спостереження траєкторій α-частинок у спеціальному шарі фотографічної емульсії, до якого додано деяку кількість солі радію. Цей спосіб грунтується на тому, що пробіг α-частинок у твердій речовині внаслідок великої кількості зіткнень з ЇЇ атомами й молекулами коротший, ніж у повітрі. Молекули бромистого срібла, які входять до складу фотоемульсії, руйнуються α-частинками, що дає можливість виявити зображення слідів цих частинок. Після проявлення пластинок можна побачити короткі чорнгштрихи, довжина яких відповідає величині пробігу α-частинок. Ці пластинки розглядають у мікроскоп і визначають за ними довжину і напрям пробігу кожної частинки.

За допомогою таких товстошарових фотоемульсій було зроблено багато важливих відкриттів. На мал. 14 зображено «зірку», що виникла внаслідок ядерного розпаду, її сфотографовано на фотопластинці з такою емульсією.

Розгляд експериментальних методів спостереження елементарних частинок слід супроводжувати показом відповідних малюнків і демонструванням кіно-фрагментів. Фрагмент «Радіоактивність» з кінофільму «Будова атома» має ряд цікавих кадрів, на яких зображено дію радіоактивної речовини на фотопластинку, а також процес підготовки дослідів, їх проведення й наступне проявлення фотопластинки.

Закінчуючи опис експериментальних методів дослідження частинок, доцільно підкреслити, що сучасні дані про будову атома грунтуються не на умоглядних уявленнях, а на дослідних даних, що підтверджує достовірність теоретичних наукових висновків.

 

 

 

 

Розділ   IIІ.   Шкільні   прилади   і  досліди   для   виявлень   і   рахунку іонізуючих частинок

Протягом останніх роки створений ряд приладів для виявлення і рахунку іонізуючих частинок і призначених для використовування у викладанні фізики.

Мал. 15. Зовнішній вигляд камери Вільсона для демонстрації шляхів α - частинок

Деякі,   із   їх   випускаються   підприємствами   «Глав-учтехпрома»,   інші можуть бути виготовлений в шкільних учбових майстерних або зібраний з є у фізичному кабінеті устаткування. Нижче даний опис ряду приладів, які по вибору вчителя можуть бути використаний в практиці викладання.