что такое альфа частицы и бета частицы

Радиация вокруг нас (ликбез)

Что такое радиация?

Слово радиация, в переводе с английского «radiation» означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Поэтому в отношении радиоактивности следует применять принятое МКРЗ (Международной комиссией по радиационной защите) и Нормами радиационной безопасности понятие «ионизирующее излучение».

Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны.

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности:

Что такое изотопы?

Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например: 55Cs131, 55Cs134m, 55Cs134, 55Cs135, 55Cs136, 55Cs137. Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые – самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы. Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов. Примером устойчивого изотопа может служить Pb206, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U235, U238 и Th232.

ПРИБОРЫ ДЛЯ измерения радиации и радиоактивности.

Для измерения уровней радиации и содержания радионуклидов на различных объектах используются специальные средства измерения:

В настоящее время в магазинах можно купить различные виды измерителей радиации различного типа, назначения, и обладающие широкими возможностями. Для примера приведём несколько моделей приборов, которые наиболее популярные в профессиональной и бытовой деятельности:

СРП-88Н (сцинтилляционный радиометр поиска) – профессиональный радиометр предназначен для поиска и обнаружения источников фотонного излучения. Имеет цифровой и стрелочный индикаторы, возможность установки порога срабатывания звукового сигнализатора, что значительно облегчает работу при обследовании территорий, проверки металлолома др. Блок детектирования выносной. В качестве детектора используется сцинтилляционный кристалл NaI. Автономный источник питания 4 элемента Ф-343.

ДБГ-06Т – предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения. Источник питания гальванический элемент типа «Корунд».

ДБГ-01Н – предназначен для обнаружения радиоактивного загрязнения и оценки с помощью звукового сигнализатора уровня мощности эквивалентной дозы фотонного излучения. Источник питания гальванический элемент типа «Корунд». Диапазон измерения от 0.1 мЗв*ч-1 до 999.9 мЗв*ч-1

Дозиметры позволяют измерять:

Как выбрать измеритель радиации и другие приборы для измерения радиации вы можете прочитать в статье «Бытовой дозиметр и индикатор радиоактивности. как выбрать?«

Какие виды ионизирующего излучения существуют?

Виды ионизирующего излучения. Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего приходится сталкиваться являются:
Альфа-излучение
Бета-излучение
Гамма-излучение
Рентгеновское излучение

Конечно существуют и другие виды излучения (нейтронное), но с ними мы сталкиваемся в повседневной жизни значительно реже. Различие этих видов излучения заключается в их физических характеристиках, в происхождении, в свойствах, в радиотоксичности и поражающем действии на биологические ткани.

Источники радиоактивности могут быть природными или искусственными. Природные источники ионизирующего излучения это естественные радиоактивные элементы находящиеся в земной коре и создающие природный радиационный фон, это ионизирующее излучение приходящее к нам из космоса. Чем больше активность источника (т.е. чем больше в нем распадается атомов за единицу времени), тем больше он испускает за единицу времени частиц или фотонов.

Искусственные источники радиоактивности могут содержать радиоактивные вещества полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. В качестве искусственных источников ионизирующего излучения могут быть и различные электровакуумные физические приборы, ускорители заряженных частиц и др. Например: кинескоп телевизора, рентгеновская трубка, кенотрон и др.

Поток электронов (бета-частиц) способен проходить в воздухе расстояние до нескольких метров (в зависимости от энергии), в биологических тканях величина пробега бета-частицы измеряется несколькими сантиметрами. Бета-излучение, как и альфа-излучение, наибольшую опасность представляет при контактном облучении, т.е при попадании внутрь организма, на слизистые оболочки и при загрязнении кожных покровов.

Что такое источник излучения?

Что такое радионуклиды?

Радионуклиды. Радиоактивные вещества ( уран-238, радий-226, торий-232 и др.) и изотопы стабильных химических элементов, отличающиеся массовым числом и неустойчивым состоянием атомов (стронций-90, цезий-134 и 137, америций-241) называются радионуклидами.

Что такое период полураспада?

В каких единицах измеряется радиоактивность?

Мерой радиоактивности радионуклида в соответствии с системой измерений СИ, является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Кроме того, в качестве меры радиоактивности широко используется не системная величина Кюри (Ки) и ее производные (милликюри, микрокюри и т.д.). Численно 1 Кюри = 3.7*1010 Бк, а 1 Бк = 0.027нКи (наноКюри). Содержание активности в единице массы вещества характеризуется удельной активностью, которая измеряется в Бк/кг (л).

В каких единицах измеряется ионизирующее излучение (рентгеновское и гамма)?

Мерой воздействия ионизирующего излучения является экспозиционная доза и измеряется она в Рентгенах (Р) и его производных (млР, мкР), а количественную сторону его характеризует мощность экспозиционной дозы,, которая измеряется в Рентгенах/сек (Р/сек.) и его производных (млР/час, мкР/час, мкР/сек).

Рентген – это доза рентгеновского или гамма-излучения в воздухе, при которой на 0.001293 г воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Эквивалентная доза – она равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества ионизирующего излучения (Например: коэффициент качества гамма-излучения составляет 1, а альфа-излучения – 20).

Единица измерения эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена) и его дольные единицы: миллибэр (мбэр) микробэр ( мкбэр) и т.д., 1 бэр = 0,01 Дж/кг-1. Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт, Зв,

1 мбэр = 1*10-3 бэр; 1 мкбэр = 1*10-6 бэр;

Единица поглощенной дозы – рад и его дольные значения, 1 рад = 0,01 Дж/кг.

Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей, Гр, 1Гр=100рад=1Дж/кг-1

Мощность дозы – сокращенное название мощности эквивалентной дозы.

Мощность эквивалентной дозы – это отношение приращения эквивалентной дозы за интервал времени к этому интервалу времени, единица измерения бэр/час, Зв/час.

В каких единицах измеряется альфа- и бета-излучение?

Количество альфа- и бета-излучения определяется как величина плотности потока частиц с единицы площади, в единицу времени a-частиц*мин/см2, b-частиц*мин/см2.

Что вокруг нас радиоактивно?

Практически все что нас окружает, да и сам человек. Радиоактивность в определенной мере является естественной средой обитания человека, если она не отличается от естественных уровней. На планете имеются участки территории со значительно повышенным уровнем радиационного фона, в нашем понимании, однако каких-либо серьезных отключений в состоянии здоровья населения не наблюдается, ибо это для них естественная среда обитания. Таким участок территории, например, является штат Керала в Индии.

Для правильного понимания, и что более важно, для правильной оценки, появляющихся иногда в печать устрашающих цифр, следует различать :

Как правило избавиться от элементов природной радиоактивности практически невозможно. Как можно избавиться от К40, Ra226, Th232, которые повсеместно распространены в земной коре и присутствуют практически во всем что нас окружает, да и в нас самих? А уменьшить влияние этих факторов на человека в наших с Вами силах.

Основными поставщиками радия-226 в окружающую природную среду являются предприятия занимающиеся добычей и переработкой различных ископаемых материалов:

Считается, что до 70% вредного воздействия на население связано с радоном в жилых зданиях (см. диаграмму). Основным источником поступления радона в жилые здания являются (по мере возрастания значимости):

Распространяется радон в недрах Земли крайне не равномерно. Характерно его накопление в тектонических нарушениях, куда он поступает по системам трещин из пор и микротрещин пород. В поры и трещины он поступает за счет процесса эманирования, образуясь в веществе горных пород при распаде радия-226.

Радоновыделение почвы определяется радиоактивностью горных пород, их эманированием и коллекторными свойствами. Так, сравнительно слаборадиоактивные породы, оснований зданий и сооружений могут, представлять большую опасность, чем более радиоактивные, если они характеризуются высоким эманированием, или рассечены тектоническими нарушениями, накапливающими радон. При своеобразном «дыхании» Земли, радон поступает из горных пород в атмосферу. Причем в наибольших количествах – из участков на которых имеются коллекторы радона (сдвиги, трещины, разломы и др.), т.е. геологические нарушения. Собственные наблюдения за радиационной обстановкой в угольных шахтах Донбасса показали, что в шахтах, характеризующихся сложными горно-геологическими условиями (наличие множественных разломов и трещин в угле вмещающих породах, высокая обводненность и др.) как правило, концентрация радона в воздухе горных выработок значительно превышает установленные нормативы.

Возведение жилых и общественно-хозяйственных сооружений непосредственно над разломами и трещинами горных пород, без предварительного определения радоновыделения из почвы, приводит к тому, что в них из недр Земли поступает грунтовый воздух, содержащий высокие концентрации радона, который накапливается в воздухе помещений и создает радиационную опасность.

Техногенная радиоактивность возникает в результате деятельности человека в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование радионуклидов. К техногенной радиоактивности относится добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание каменного угля и углеводородов, накопление промышленных отходов и многое другое. Уровни воздействия на человека различных техногенных факторов иллюстрирует представленная диаграмма 2 (А.Г. Зеленков «Сравнительное воздействие на человека различных источников радиации», 1990 г.)

Что такое «черные пески» и какую опасность они представляют?

Такие месторождения наблюдаются и на юге Донецкой области.

Россыпи монацитовых песков находящиеся на суше, как правило не вносят существенного изменения в сложившуюся радиационную обстановку. А вот месторождения монацита находящиеся у прибрежной полосы Азовского моря (в пределах Донецкой области) создают ряд проблем особенно с наступлением купального сезона.

Позволю высказать по этому поводу личную точку зрения. Причиной, способствующей выносу «черного песка» на побережье, возможно является тот факт, что на фарватере Мариупольского морского порта постоянно работают земснаряды по расчистке судоходного канала. Грунт, поднятый со дна канала, сваливается западнее судоходного канала, в 1-3 км от побережья (см. карту размещения мест свалки грунта), и при сильном волнении моря, с накатом на прибрежную полосу, грунт содержащий монацитовый песок выносится на побережье, где обогащается и накапливается. Однако все это требует тщательной проверки и изучения. И если это как, то снизить накопление «черного песка» на побережье, возможно, удалось бы просто переносом места свалки грунта в другое место.

Основные правила выполнения дозиметрических измерений.

При проведении дозиметрических измерений, прежде всего, необходимо строго придерживаться рекомендаций изложенных в технической документации на прибор.

При измерении мощности экспозиционной дозы гамма-излучения или эквивалентной дозы гамма-излучения необходимо соблюдать следующие правила:

При измерении уровней загрязнения радионуклидами различных поверхностей необходимо выносной датчик или прибор в целом, если выносного датчика нет, поместить в полиэтиленовый пакет (для предотвращения возможного загрязнения), и проводить измерение на максимально возможно близком расстоянии от измеряемой поверхности.

Источник

Под «радиацией» понимают любые разновидности излучений, существующих в природе. Радиоволны, солнечный свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение – это тоже радиация. Нейтронное, альфа-, бета-, гамма-излучения обладают наибольшей опасностью.

Что такое радиоактивность в физике

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.

Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.

Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.

Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.

В физике существуют такие виды радиоактивного распада:

α-распад с выделением α-частицы;

β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;

бесконтрольное деление ядра на осколки.

Альфа-излучение

Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.

Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.

Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.

Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.

Бета-излучение

Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.

Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.

Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.

Гамма-излучение

Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.

переходе его из возбужденного состояния в стабильное;

аннигиляции электрона и позитрона.

Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.

Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.

Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.

Нейтронное излучение

Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.

Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.

Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.

Рентгеновское излучение

Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.

Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.

Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.

Какое излучение самое опасное

Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.

Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.

Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.

Источник

Физика

А Вы уже инвестируете?
Слышали про акцию в подарок?

Зарегистрируйся по этой ссылке
и получи акцию до 100.000 руб

План урока:

Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов

Альфа-, бета-, гамма-частицы. Излучение

В конце 19-го века французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что химический элемент уран излучает невидимые лучи неизвестной природы. Причем делает он это самопроизвольно (без воздействия извне). Это явление было названо радиоактивным излучением или просто явлением радиоактивности.

Так как явление было новое и необычное, за его изучение взялись многие ученые. Скоро было открыто, что явление радиоактивного излучения было присуще не только урану, но и другим химическим элементам (например, радию).

Способность атомов к самопроизвольному излучению назвали радиоактивностью.

Э. Резерфорд для изучения явления радиоактивности провел следующий опыт (см. рисунок 1а): небольшое количество радия (Р) помещалось в толстостенный свинцовый сосуд с отверстием в крышке (С). Радиоактивные лучи в таком случае не могут пройти сквозь стенки сосуда, но могут через отверстие – получается направленный пучок излучения (П). Напротив отверстия располагали фотопластинку (Ф). При проявлении фотопластинки место, куда попадал пучок излучения (напротив отверстия), выглядело как темное пятно.

Рисунок 1 – Схема опыта по изучению радиоактивности

Затем на пути следования пучка излучения создавали магнитное поле (см. рисунок 1б). На фотопластинке в таком случае появлялось не одно, а три пятна – одно на прежнем месте (напротив отверстия) и два по бокам от него. Как известно, магнитное поле действует на движущиеся заряды. Более того, если два потока отклонились в разные стороны, значит это были потоки частиц разных знаков – положительных и отрицательных.

Получается, что поток излучения радия состоит из трех компонентов:

Нейтральное излучение назвали гамма-частицами или гамма-квантами (γ-частицы или γ-кванты). Оно представляет собой один из видов электромагнитного излучения.

Так как до всех этих открытий уже было известно, что атом электрически нейтрален, а в опытах по исследованию радиоактивности оказалось, что электрически нейтральные атомы испускают положительно и отрицательно заряженные альфа- и бета-частицы, ученые сделали вывод, что все атомы состоят из заряженных частиц.

Модели атомов

Модель атома Томсона. Опыт Резерфорда. Метод сцинтилляций

Когда стало понятно, что атомы имеют в своем составе заряженные частицы разных знаков, ученые начали предлагать различные модели строения атомов.

Одна из первых моделей была разработана английским ученым Джозефом Томсоном. Он предполагал, что атом – это равномерно заряженный положительным зарядом шар, внутри которого точечными вкраплениями располагаются электроны (см. рисунок 2). Они могут колебаться вокруг своего положения равновесия. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом электрически нейтрален.

Рисунок 2 – Модель строения атома, предложенная Дж. Томпсоном

Чтобы проверить модель Томсона Резерфорд предложил опыт по рассеиванию альфа-частиц, схема которого изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Опыт Резерфорда для проверки атомной модели Томпсона

Свинцовый сосуд С (аналогичный описанному в опыте на рисунках 1а и 1б) с радиоактивным веществом (Р), излучающим альфа-частицы, располагали напротив стеклянного экрана (Э). Поверхность экрана была покрыта специальным веществом, вспыхивающим при попадании на него альфа-частицы. Стоит оговориться, что вспышки эти видны только с помощью микроскопа. Такой метод обнаружения альфа-частиц с помощью вспышек называется методом сцинтилляций.

Описанная установка помещается в вакуум (рисунок 3а), чтобы на пути следования альфа-частиц не было никаких препятствий – молекул воздуха. Тогда альфа-частицы вылетают из отверстия в крышке сосуда и летят по прямой практически без рассеивания. На экране в месте попадания пучка будет одно сплошное световое пятно.

Затем на пути следования альфа-частиц (рисунок 3б) располагают тонкую пленку из фольги (для альфа-частиц это будет аналог сетки, через которую они будут рассеиваться). Когда экран находится напротив сосуда с радиоактивным веществом световое пятно оказывается на старом месте, но по бокам от него образуется небольшое число мелких вспышек, свидетельствующих, что альфа-частицы рассеиваются на фольге. Однако, если передвигать экран вокруг фольги (маленькие экраны на рисунке 3б), можно заметить, что единичные альфа-частицы отклонились от первоначальной траектории почти на 90°. Это и был ключевой момент в наблюдении.

Результатом опыта Э. Резерфорда стал вывод, что такое отклонение положительно заряженных альфа-частиц может быть вызвано только очень сильным электрическим полем, которое могло быть порождено только точечно (в малом объеме) сконцентрированным зарядом. Причем речь идет именно о силах отталкивания между альфа-частицей и положительным зарядом, масса которого больше массы альфа-частицы. Данный вывод противоречил модели строения атома, предложенной Томсоном.

На основе опытных данных Резерфорд создал свою модель строения атома, которую позже назвали планетарной или ядерной: в центре атома располагается положительно заряженное ядро, а вокруг него, по орбитам, вращаются отрицательно заряженные электроны (как планеты вокруг Солнца – отсюда и название). Планетарная модель атома обоснована опытными данными и на данный момент считается наиболее правдивой.

Радиоактивные превращения атомных ядер

Массовое число. Зарядовое число

Во время исследований и экспериментов радиоактивных превращений Э. Резерфордом и его коллегой Ф. Содди было замечено, что при альфа-распаде и бета-распаде первоначальный химический элемент превращается в другой.

Если принять во внимание планетарную модель атома, можно сделать вывод, что превращается именно ядро атома (если бы от атома «оторвали» электрон, вращающийся на орбите, получился бы ион того же атома, что и был).

Альфа-распад решили записывать в виде реакции так:

Видно, что элементы обозначаются так же, как и в таблице Д.И. Менделеева.

Индекс сверху – массовое число (А). Оно равно числу атомных единиц массы* данного ядра, округленному до целых.

Индекс снизу – зарядовое число(Z). Оно равно числу элементарных электрических зарядов**, содержащихся в заряде данного ядра.

*1 атомная единица массы (а.е.м.) 1/12 равна массы атома углерода .

** Элементарный электрический заряд – наименьший существующий в природе электрический заряд. Он равен модулю заряда электрона.

Массовое и зарядовое число всегда целые числа. Они не имеют размерности. Кроме того, во всех превращениях суммарное массовое и суммарное зарядовое число слева и справа должны оставаться постоянными, т.е. действуют законы сохранения массового и зарядового числа. В приведенном выше примере:

Таким образом, Резерфорд и Содди сделали вывод, что ядра атомов имеют сложный состав. Помимо этого, было сформулировано определение: радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (без внешнего воздействия) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Приведем также пример бета-распада:

Далее рассмотрим подробнее, какие частицы входят в состав атома и что такое зарядовое и массовое число.

При любых реакциях суммарное массовое и зарядовое числа до реакции равным суммарным массовому и зарядовому числам после реакции.

Экспериментальные методы исследования частиц

Счетчик Гейгера. Камера Вильсона

Ранее был разобран один из способов регистрации альфа-частиц – метод сцинтилляций. Однако он во многом зависит от человеческого фактора – остроты зрения наблюдателя, его внимательности, выносливости и так далее. Для дальнейших исследований строения атомов необходимы были приборы, максимально исключающие человеческий фактор.

Первым из таких приборов стал счетчик Гейгера, названный по фамилии изобретателя.

Данное устройство состоит из двух электродов, помещенных в герметичную стеклянную трубку (СТ), заполненную разреженным газом (как правило, аргоном). Отрицательно заряженный катод (К) представляет собой металлический цилиндр; анод (А) – тонкую проволоку, натянутую вдоль оси цилиндра-катода (см. рисунок 4). Эти электроды через сопротивление R подключены к источнику (U) высокого напряжения (порядка сотен вольт). Между ними возникает сильное электрическое поле.

Рисунок 4 – Схема счетчика Гейгера

Если в стеклянную трубку с газом влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа (т.е. «выбить» из них свободные электроны), образовавшиеся ионы начинают двигаться под воздействием электрического поля – электроны к аноду, а положительно заряженные – к катоду.

Если напряженность электрического поля большая, то электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации других частиц газа в счетчике Гейгера. То есть снова образуются электроны, способные ионизировать другие атомы. В итоге образуется электронно-ионная лавина, которая провоцирует резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R.В этом и состоит принцип действия счетчика Гейгера: по возрастанию характеристик можно зарегистрировать попавшую в счетчик частицу.

Если взять очень большое сопротивление R, резко возросшее напряжение в сети быстро упадет на этом сопротивлении и прибор будет готов к регистрации новых частиц.

Как правило, счетчик Гейгера использую для регистрации электронов. Данное устройство позволяет зафиксировать только тот факт, что через него пролетела заряженная частица. Для более детального исследования заряженных частиц оно не пригодно.

Более детально изучать частицы позволяет прибор, изобретенный Чарльзом Вильсоном и названный впоследствии камерой Вильсона (см. рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема камеры Вильсона

Камера Вильсона состоит из стеклянного цилиндра (СЦ) со стеклянной крышкой (СК). Снизу в цилиндре находится подвижный поршень (ПП), на котором расположена черная ткань, смоченная в смеси воды и этилового спирта. Естественно получается, что воздух в камере наполнен парами воды и этилового спирта. Эту смесь воздуха и паров очищают от различных пылинок, ионов и прочего, на чем пары могли бы конденсироваться.

Если поршень резко отвести вниз, газ в камере расшириться, его внутренняя энергия уменьшится, температура понизится. Если бы смесь была неочищенной, пары воды и этилового спирта сконденсировались бы на примесях – ядрах конденсации (пылинках или ионах), однако их в камере нет. Поэтому газ становится пресыщенным – переходит в неустойчивое состояние, в котором он крайне легко может начать конденсироваться на любой попавшей в него частице, например, ионе.

Действие камеры Вильсона основано на применении способности пресыщенного газа мгновенно конденсироваться на любой попавшей в него частице. Излучаемые частицы влетают в камеру через небольшое отверстие (О) в боковой стенке цилиндра. Они пролетают по газу с большой скоростью, ионизирую его. Образованные ионы становятся ядрами конденсации. Получается, что вдоль всего пути следования частицы возникает след из капелек (он называется трек), который можно увидеть.

Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, которое действует на движущиеся электрические заряды, траектория движения частиц будет искривляться. По ее кривизне можно будет определить массу, энергию и заряд частицы. Возможность определить эти характеристики частиц, является большим преимуществом камеры Вильсона перед счетчиком Гейгера.

Стоит оговориться, что треки существуют в камере крайне недолго, поэтому их, как правило, фотографируют и изучают уже по фотографиям (на схеме Ф – фотоаппарат).

Открытие протона

Когда из экспериментальных данных по исследованию частицстало понятно, что ядро атома имеет сложный состав, ученые задались вопросом, из каких именно частиц оно состоит?

Э. Резерфорд провел опыт, в котором летящая с очень большой скоростью альфа-частица сталкивалась с ядром азота. Из опыта стало понятно, что альфа-частица выбивает из ядра азота какую-то частицу. Но так как наблюдение велось с помощью метода сцинтилляций, точно ничего сказать про эту частицу было нельзя. Так Резерфорд открыл первую элементарную частицу в составе ядра атомов и назвал ее протоном.

Итак, протон ( ) – это элементарная частица, имеющая массу приближенно равную 1 а.е.м. и обладающую положительны зарядом, равным по модулю элементарному электрическому заряду.

Протоны входят в состав ядер всех химических элементов.

Открытие нейтрона

С открытием протона ученые пришли к выводу, что в состав атомных ядер должны входить и другие частицы. Почему так?

То есть 8 а.е.м. занимают другие частицы. Причем, эти частицы должны быть электрически нейтральны (зарядовое число полностью описывается протонами).

*Электроны, входящие в состав атома кислорода, не учитываются в расчете атомной массы, так как их масса чрезвычайно мала (во много раз меньше массы протонов).

Состав атомного ядра

Нуклоны. Изотопы

После открытия протонов и нейтронов, советский физик Д.Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг создали протонно-нейтронную модель строения ядра. В чем же она заключается?

Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. То есть ядра всех атомов состоят из нуклонов.

Массовое число (А) равно общему количеству нуклонов в ядре.

Для атома кислорода hbcO массовое число А = 16, значит и нуклонов в состав ядра входит 16. Для атома фосфора массовое число А = 31, следовательно нуклонов в ядре 31.

Напомним, что массовое число равно массе ядра, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целого.

Зарядовое число (Z) равно числу протонов в ядре.

У кислорода в ядре 8 протонов, у фосфора – 15.

Обобщенно можно записать так:

Зарядовое число всегда можно найти как порядковый номер атома в таблице Д.И. Менделеева.

Что же касается массового числа, в ходе экспериментов физики обнаружили, что один и тот же химический элемент (с одним и тем же зарядовым числом) может иметь ядра разной массы. Так как при одинаковом зарядовом числе такие вещества занимают одну клетку таблицы Д.И. Менделеева, их назвали изотопами (дословно с греческого «занимающий одно место»).Число изотопов одного атома может быть самым различным.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомных ядер.

Например, у атома водорода существует три изотопа:

Источник