Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома
1. Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.
Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.
2. Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием (рис. 106). Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.
Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением ( \( \gamma \) -излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.
Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали \( \alpha \) -частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали \( \beta \) -частицами.
3. Первую модель строения атома предложил Джозеф Джон Томсон, после того как он открыл электрон — частицу с наименьшим электрическим зарядом. Он представлял атом в виде шара из положительно заряженного вещества, в который вкраплены электроны. При этом положительный заряд шара равен суммарному заряду электронов. Модель атома Томсона называют «пудингом с изюмом». Используя эту модель, можно было объяснить электрическую проводимость веществ, явление электризации тел и др.
Проводя опыты по изучению строения вещества, Резерфорд показал несостоятельность модели Томсона. Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу \( \alpha \) -частицами, имеющими большую энергию. В соответствии с моделью Томсона а-частицы должны были отражаться от атома. Однако очень небольшое число частиц рассеивалось на углы от 90° до 180°. Большинство частиц проходило через фольгу, отклоняясь от направления движения на незначительные углы.
В результате экспериментов Резерфорд предложил новую модель строения атома, названную планетарной моделью. Он сделал следующие выводы:
Таким образом, в соответствии с моделью атома Резерфорда в центре атома расположено положительное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Поскольку масса электронов мала, то масса атома в основном сосредоточена в ядре.
Так как атом в целом нейтрален, то положительный заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов. Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру \( Z \) элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Заряд атомного ядра \( q_я \) равен произведению \( Z \) и заряда электрона \( e \) : \( q_я=Z\cdot e \) .
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?
1) \( \alpha \) -излучение
2) \( \beta \) -излучение
3) \( \gamma \) -излучение
4) поток нейтронов
2. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение. Что представляет собой гамма-излучение?
1) поток электронов
2) поток нейтронов
3) поток ядер атомов гелия
4) электромагнитное излучение
3. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?
1) отрицательный и равный элементарному заряду
2) положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3) положительный и равный по модулю элементарному заряду
4) альфа-частицы не имеют заряда
4. Радиоактивный препарат помещен в магнитное поле. В этом поле не отклоняются
1) только А
2) только А и Б
3) только В
4) только А и В
5. Какое из трёх типов излучения — \( \alpha \) , \( \beta \) или \( \gamma \) — обладает наименьшей проникающей способностью?
1) \( \alpha \)
2) \( \beta \)
3) \( \gamma \)
4) проникающая способность всех типов излучения одинакова
6. Какой вывод можно было сделать из результатов опытов Резерфорда?
1) атом представляет собой положительно заряженный шар, в который вкраплены электроны
2) ядро атома имеет такие же размеры, что и \( \alpha \) -частицы
3) атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны
4) атом излучает и поглощает энергию порциями
7. Почему в опыте Резерфорда большая часть \( \alpha \) -частиц практически не отклоняется от прямолинейной траектории?
8. Суммарный заряд электронов в нейтральном атоме:
1) отрицательный и равен по модулю заряду ядра
2) положительный и равен по модулю заряду ядра
3) может быть положительным или отрицательным, но равным по модулю заряду ядра
4) отрицательный и всегда больше по модулю заряда ядра
9. Число электронов в нейтральном атоме равно
1) числу нейтронов в ядре
2) числу протонов в ядре
3) суммарному числу нейтронов и протонов
4) разности между числом протонов и нейтронов
10. Атом становится отрицательно заряженным ионом, если
1) он потеряет электроны
2) к нему присоединятся электроны
3) он потеряет протоны
4) к нему присоединятся протоны
11. Установите соответствие между видом излучения (в левом столбце таблицы) и его характеристикой (в правом столбце таблицы). В таблице под номером вида излучения левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.
ВЕЛИЧИНА
A. Альфа-излучение
Б. Бета-излучение
B. Гамма-излучение
ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Отрицательный заряд, равный двум элементарным зарядам
2. Отрицательный заряд, равный элементарному заряду
3. Положительный заряд, равный по модулю двум элементарным зарядам
4. Положительный заряд, равный по модулю элементарному заряду
5. Отсутствие заряда
12. Из приведённых ниже высказываний выберите 2 правильных и запишите их номера в таблицу.
1) магнитное поле не действует на гамма-излучение
2) магнитное поле сильнее отклоняет альфа-частицы
3) магнитное поле сильнее отклоняет бета-частицы
4) все три вида излучения, обнаруженные при исследовании естественной радиоактивности, отклоняются магнитным полем
5) радиоактивностью обладают все элементы таблицы Менделеева
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи), виды, образование, биологическая опасность и защита
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи), виды, образование, биологическая опасность и защита.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — это вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны – менее 2⋅10 −10 м – и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) и его виды:
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны – менее 2⋅10 −10 м – и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
Гамма-излучение относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.
Гамма-излучение (в узком смысле) – это проникающее электромагнитное излучение, возникающее при спонтанных превращениях («распаде») атомных ядер многих естественных или искусственно созданных радиоактивных элементов (радионуклидов).
В более широком смысле гамма-излучением называется любое электромагнитное излучение с квантовыми энергиями от нескольких сотен килоэлектронвольт и выше, независимо от характера их возникновения.
Название гамма-лучей происходит от деления ионизирующего излучения на альфа-излучение, бета-излучение и гамма- излучение в соответствии с их возрастающей способностью проникать в материю. Альфа- и бета-лучи состоят из заряженных частиц и поэтому взаимодействуют с материей значительно сильнее, чем незаряженные фотоны или кванты гамма-излучения. Соответственно, последние имеют значительно более высокую проникающую способность.
Альфа-излучение (α-лучи) – это поток ядер атомов гелия-4, имеющих положительный заряд. Ядро атома гелия-4 (α-частица) – 4 2He 2+ образовано двумя протонами и двумя нейтронами.
Бета-излучение (β-лучи) являют собой поток электронов – е – (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов – p (соответственно, частиц с положительным зарядом).
– мягкое гамма-излучение (с энергиями фотонов от нескольких сотен килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение средних энергий (с энергиями фотонов от нескольких мегаэлектронвольт до десятков мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение высоких энергий (с энергиями фотонов от нескольких десятков мегаэлектронвольт до 10 11 электронвольт),
– гамма-излучение сверхвысоких энергий (с энергиями фотонов свыше 10 11 электронвольт).
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением. При этом четкая граница между гамма-излучением и жестким рентгеновским излучением не определена.
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия. Он поместил радий-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) в магнитное поле. В результате компоненты излучения были разделены на три составляющие по направлению отклонения частиц в магнитном поле: излучение с положительным электрическим зарядом было названо α-лучами, с отрицательным — β-лучами, а электрически нейтральное, не отклоняющееся в магнитном поле излучение получило название γ-лучей. Впервые такую терминологию использования предложил Э. Резерфорд в начале 1903 года.
Возникновение и образование гамма-излучения:
Гамма-излучение возникает:
– при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер в стабильное (при т.н. изомерном переходе);
– при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.),
– при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.
Гамма излучение также возникает в космическом пространстве.
Биологический эффект и опасность гамма-излучения:
Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором. Оно поражает ДНК клеток человека.
Свойства гамма-излучения:
– гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями;
– гамма-лучи характеризуются большей проникающей способностью (по сравнению с α- и β- лучами) при равных энергиях и прочих равных условиях;
– гамма-излучение при прохождении через вещество вызывает ионизацию атомов вещества;
Фотоэффект или фотоэлектрический эффект – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения (например, гамма-излучения) с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества (энергия фотона поглощается электроном оболочки атома). В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нём своё энергетическое состояние, переходят из связанного состояния в свободное без вылета наружу) фотоэффект. При внутреннем фотоэффекте как следствие поглощения фотона образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.
При взаимодействии гамма-кванта с веществом происходит поглощение энергии гамма-кванта электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным).
Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера химического элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Фотоэффект, как правило, преобладает при энергиях гамма-кванта от нескольких сотен килоэлектронвольт и менее.
Комптон-эффект – явление некогерентного рассеяния электромагнитного излучения (например, фотонов, гамма-квантов) на свободных электронах, сопровождающееся уменьшением частоты электромагнитного излучения (увеличением длины волны). Часть энергии фотонов и гамма-квантов после рассеяния передается электронам.
При взаимодействии гамма-кванта с электроном образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
Эффект образования (рождения) пар – явление, при котором возникают пары частица-античастица. Эффект образования (рождения) пар является обратным процессу аннигиляции,
Гамма-квант, взаимодействуя с электромагнитным полем атомного ядра, превращается в электрон и позитрон.
Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта энергии выше 3 МэВ с электромагнитным полем ядра является преобладающим процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом. При более низких энергиях гамма-квантов действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект. А при энергиях гамма-кванта ниже 1,022 МэВ эффект рождения пар вообще отсутствует.
Ядерный фотоэффект – явление испускания ядрами атомов нуклонов (протонов и нейтронов) при ядерных реакциях, происходящих при поглощении гамма-квантов ядрами атомов.
Ядерный фотоэффект действует при энергиях гамма-кванта выше нескольких десятков МэВ.
Применение гамма-излучения:
– в гамме-дефектоскопии: контроль качества изделий просвечиванием γ-лучами;
– в пищевой промышленности при консервировании пищевых продуктов: гамма-стерилизация для увеличения срока хранения;
– в приборах для измерения расстояний: уровнемеры, гамма-высотомеры на космических аппаратах;
Виды радиоактивных излучений
Навигация по статье:
Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.
Что такое радиация
Для начала дадим определение, что такое радиация:
Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.
Альфа излучение
Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.
Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.
Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.
Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.
Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.
Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.
Нейтронное излучение
Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.
Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.
Бета излучение
Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.
При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.
Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.
Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.
Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.
Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.
Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.
Гамма излучение
Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.
Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения
Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.
Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.
Каждое из рассмотренных излучений опасно!
Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации
| характеристика | Вид радиации | ||||
| Альфа излучение | Нейтронное излучение | Бета излучение | Гамма излучение | Рентгеновское излучение | |
| излучаются | два протона и два нейтрона | нейтроны | электроны или позитроны | энергия в виде фотонов | энергия в виде фотонов |
| проникающая способность | низкая | высокая | средняя | высокая | высокая |
| облучение от источника | до 10 см | километры | до 20 м | сотни метров | сотни метров |
| скорость излучения | 20 000 км/с | 40 000 км/с | 300 000 км/с | 300 000 км/с | 300 000 км/с |
| ионизация, пар на 1 см пробега | 30 000 | от 3000 до 5000 | от 40 до 150 | от 3 до 5 | от 3 до 5 |
| биологическое действие радиации | высокое | высокое | среднее | низкое | низкое |
Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.
| Коэффициент k | |
| Вид излучения и диапазон энергий | Весовой множитель |
| Фотоны всех энергий (гамма излучение) | 1 |
| Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение) | 1 |
| Нейтроны с энергией 20 МэВ (нейтронное излучение) | 5 |
| Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи) | 5 |
| Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение) | 20 |
Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.
