Номер 11.53, страница 217 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Радиоактивность - номер 11.53, страница 217.

Условие.

11.53. Какими способами можно установить неоднородность радиоактивного излучения?

Решение.

Решение

Неоднородность радиоактивного излучения означает, что оно имеет сложный состав и состоит из потоков различных частиц или квантов. Экспериментально было установлено, что радиоактивное излучение, испускаемое некоторыми веществами, состоит из трех компонентов: альфа-($\alpha$), бета-($\beta$) и гамма-($\gamma$) излучения. Установить эту неоднородность можно несколькими способами, основанными на различиях в физических свойствах этих компонентов.

1. Поведение в магнитном и электрическом полях

Этот метод основан на том, что компоненты излучения имеют разный электрический заряд. Если пучок излучения от радиоактивного источника направить в область, где создано сильное магнитное (или электрическое) поле, перпендикулярное направлению движения частиц, то пучок разделится на три части.
• Положительно заряженные $\alpha$-частицы (ядра гелия $^4_2\text{He}$ с зарядом $q_\alpha = +2e$) отклонятся в одну сторону.
• Отрицательно заряженные $\beta$-частицы (электроны с зарядом $q_\beta = -e$) отклонятся в противоположную сторону. Так как масса $\beta$-частицы намного меньше массы $\alpha$-частицы, то при одинаковых скоростях и силе поля радиус кривизны траектории $\beta$-частиц будет значительно меньше, т.е. они отклонятся сильнее.
• Нейтральные $\gamma$-кванты (фотоны высокой энергии) не имеют заряда и поэтому не взаимодействуют с полем, продолжая движение по прямой.
Наблюдение такого разделения пучка однозначно доказывает его сложный состав.

2. Различная проникающая способность

Этот метод использует различие в том, как компоненты излучения взаимодействуют с веществом и поглощаются им.
• $\alpha$-излучение обладает самой низкой проникающей способностью и высокой ионизирующей способностью. Оно полностью поглощается листом бумаги или слоем воздуха в несколько сантиметров.
• $\beta$-излучение проникает глубже. Оно проходит сквозь бумагу, но задерживается алюминиевой пластиной толщиной в несколько миллиметров.
• $\gamma$-излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Для его существенного ослабления необходимы толстые защитные экраны из плотных материалов, например, из свинца или бетона.
Если между источником и детектором излучения последовательно размещать поглотители (бумагу, алюминий, свинец) и регистрировать изменение интенсивности, то ступенчатое уменьшение показаний детектора укажет на наличие в излучении нескольких компонент с разной проникающей способностью.

3. Различная ионизирующая способность

Метод основан на регистрации следов (треков), которые оставляют частицы при движении в среде, например, в камере Вильсона или на фотоэмульсии. Ионизирующая способность (число пар ионов, создаваемых на единице длины пути) у компонент излучения различна.
• Тяжелые и двукратно заряженные $\alpha$-частицы создают плотную ионизацию, оставляя короткие, толстые и прямые треки.
• Легкие $\beta$-частицы ионизируют среду слабее, поэтому их треки — тонкие, длинные и часто искривленные из-за столкновений с атомами.
• $\gamma$-кванты сами по себе почти не ионизируют среду и не оставляют сплошного трека, но они могут выбивать электроны из атомов, и уже эти вторичные электроны оставляют короткие, редкие треки.
Одновременное наблюдение треков разного типа от одного источника является прямым доказательством неоднородности излучения.

Ответ: Неоднородность радиоактивного излучения можно установить несколькими способами, основанными на различиях в физических свойствах его компонент:
1. По поведению в магнитном или электрическом поле: пучок излучения разделяется на три части ($\alpha, \beta, \gamma$) из-за различий в знаке и величине электрического заряда.
2. По проникающей способности: компоненты излучения по-разному поглощаются различными материалами (например, бумага задерживает $\alpha$-частицы, алюминий — $\beta$-частицы, а свинец ослабляет $\gamma$-излучение).
3. По ионизирующей способности: в детекторах (например, в камере Вильсона) компоненты оставляют треки разного вида (толстые и прямые для $\alpha$-частиц, тонкие и извилистые для $\beta$-частиц).