Определение движущихся ионов
Поток движущихся ионов подобен току электронов, т. е. обычному электрическому току в проводниках, хотя и несколько отличается от него. Для изучения движения ионов используется прибор, называемый газоразрядной трубкой. Это длинная трубка, заполненная газом при низком давлении, в концы трубки впаяны металлические пластины-электроды, соединенные с источником тока, благодаря чему между электродами все время поддерживается разность потенциалов. Электрод с более низким потенциалом называется катодом, а с более высоким — анодом. Общеизвестным примером газоразрядной трубки служит неоновая лампа. Изменяя состав газа, разность потенциалов или давление в трубке, можно наблюдать много интересных явлений. Опыты с газоразрядной трубкой привели, в частности, к открытию рентгеновских лучей и электронов.
Из явлений, наблюдаемых в газоразрядной трубке, наибольший интерес представляют катодные и анодные лучи. Мы видим их как свечение внутри трубки, хотя это не световые лучи; свечение обусловлено столкновениями частиц, составляющих лучи, с атомами газа внутри трубки. Катодные лучи создают голубое свечение и распространяются по прямой линии от катода. Анодные лучи, напротив, распространяются по направлению к катоду. Это объясняется тем, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, а анодные лучи — поток положительно заряженных частиц. Под действием электрической силы заряды разных знаков движутся в противоположных направлениях. Это предположение подтверждается тем, что в трубке, помещенной в электрическое и магнитное поле, анодные и катодные лучи отклоняются так, как должны отклоняться потоки заряженных частиц.
Аналогичные превращения элементов происходят и при бета-распаде. В этом случае атомная масса радиоактивного атома существенно не изменяется, поскольку масса испускаемого электрона чрезвычайно мала. Однако физические и химические свойства атома меняются, что указывает на образование нового элемента. Наконец, при гамма распаде свойства исходного элемента сохраняются, что вполне естественно, коль скоро гамма-фотоны не несут заряда и не обладают массой покоя. Есть серьезные основания предполагать, что ни электроны бета-лучей, ни гамма-фотоны до момента распада в. атоме не присутствуют, а образуются непосредственно в процессе распада. Поэтому бета- и гамма- радиоактивность дают нам лишь косвенную информацию о структуре атома.
Радиоактивный распад вещества происходит с определенной скоростью, характерной для данного элемента, определить которую не так просто, как может показаться на первый взгляд. Уже через короткое время некоторые атомы взятого нами чистого образца радиоактивного элемента распадутся. В результате распада нередко образуются также радиоактивные атомы, которые в свою очередь распадаются, и при этом опять же могут возникнуть радиоактивные атомы. Если измерять лишь полную радиоактивность образца, определяя, например, общее количество альфа-, бета- и гамма- частиц, испускаемых им за определенное время, то такое измерение даст нам лишь суммарную радиоактивность всех атомов, которые образовались в цепи распадов, начавшейся с распада атома исходного вещества. Если, как это обычно и бывает, появляющиеся в процессе распада атомы (так называемые дочерние атомы) распадаются скорее, чем материнские атомы, то измеряемая радиоактивность будет обусловлена в основном их распадом. Поэтому, чтобы иметь уверенность в том, что мы измеряем радиоактивность именно интересующего нас атома, нам необходимо химическим или иным способом отделять его от дочерних атомов и проводить измерения в течение такого промежутка времени, за который дочерние атомы не успевают в сколько-нибудь заметном количестве накопиться в образце. Осуществить это трудно, но не невозможно.
Такие исследования дали очень важный результат: в образце, содержащем один определенный тип атомов, доля атомов, распадающихся за данный промежуток времени, всегда постоянна. Она не зависит от физического и химического состава среды, в которую помещен образец (т. е. от того, находится ли атом отдельно или в составе химического соединения, от температуры и т. п.). Эту характерную константу можно выразить через интервал времени, за который в среднем половина атомов исходного образца претерпевает радиоактивный распад. Этот интервал времени называют периодом полураспада элемента. У различных элементов период полураспада может быть очень разным: от 10~8 с и менее до 1020 с и больше. Знание периода полураспада элемента дает важную информацию о процессах, происходящих внутри атома при радиоактивном распаде.
Установленная зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени указывает на то, что он не зависит ни от предыстории атомов, ни от параметров среды. Допустим, у нас имеется один миллион атомов элемента, период полураспада которого равен одному году. По истечении года 500 тыс. атомов распадется, а 500 тыс. — останется. За следующий год распадется половина от 500 тыс., т. е. 250 тыс., и т. д. Атомы, не распавшиеся по истечении первого года, «не знают», что они уже пережили год, и распадаются с той же скоростью, что и первоначально выбранные атомы. Это относится как к атомам, сохранившимся в природе с момента рождения Вселенной, так и к атомам, искусственно полученным с помощью методов, о которых мы будем говорить ниже. В любом случае доля атомов, не распавшихся к концу периода полураспада, остается неизменной.
