Альфа, бета- и гамма-излучения

Радиоактивностью называется способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс превращения сопровождается испусканием различных частиц. После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, в данном направлении проводил исследования и Резерфорд.

Рассмотрим опыт, который позволил обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Отметим, что установка размещена в вакууме. В куске свинца сделан узкий канал. На дно канала помещен препарат радия. Расположим фотопластинку против канала. После проявления на фотопластинке присутствуют одно темное пятно, которое расположено точно напротив канала.  Создадим сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Магнитное поле действует на выходящее из канала излучение: пучок распадается на три пучка. Два из них отклоняются в противоположные стороны, что указывает на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. Отрицательный элемент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третий пучок совсем не отклоняется магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный — бета-лучей и нейтральный - гамма-лучей.
Альфа-частица — положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия. Образуется при альфа-распаде ядер.
Бета-частицы представляют собой электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (β−), положительно заряженные — позитронами (β+).
Гамма лучи представляют собой электромагнитные волны с чрезвычайно малой длиной волны. Вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.  
Рассмотрим свойства этих излучений.  Проникающая способность – свойство интенсивности поглощения различными веществами. α, β, γ - излучения очень сильно различаются по проникающей способности.  Наименьшей проникающей способностью обладают α-лучи. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего α-излучению, т.к. слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. β-лучи, проходящие через вещество, поглощаются намного меньше.  Алюминиевая пластинка, имеющая толщину несколько миллиметров, может полностью задержать β-лучи. γ-лучи имеют наибольшую проникающую способность. Интенсивность поглощения γ-лучей усиливается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. При прохождении γ -лучей через слой свинца в 1 см их интенсивность ослабевает лишь вдвое.  Различия в проникающей способности свидетельствуют о том, что другие свойства этих лучей также различны.
Гамма-лучи.  По своим свойствам  -лучи напоминают рентгеновские, но они имеют гораздо большую проникающую способность. Впоследствии была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах, следовательно, γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Длина волны очень мала и составляет от 10-8 до 10-11 см.  На шкале электромагнитных волн γ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения у  γ-лучей соответствует скорости  электромагнитных волн — около 300 000 км/с.
Бета-лучи.  β-лучи – потоки заряженных частиц. Они сильнее чем α-лучи отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. В результате исследования отклонения β-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они по своим свойствам полностью совпадают с электронами, которые движутся со скоростью, очень близкой к скорости света. Причем, скорости β-частиц, испущенных различными радиоактивными элементами, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями, что приводит к расширению пучка β-частиц в магнитном поле.
Альфа-частицы. Так как α-частицы слабее всех откланяются магнитным и электрическими полями, то выяснить природу данных частиц было трудной задачей. Её удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе m по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы. Из чего следует, что у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы. Но заряд α-частицы и ее масса оставались неизвестными. Для их определения Резерфорд провел серию опытов. Сперва он поместил на пути α-частиц счетчик Гейгера, который измерял число частиц, которые испускало радиоактивное вещество за определенное время.  Потом заменил счетчик Гейгера на металлический цилиндр, который соединил с чувствительным электрометром. С помощью электрометра был измерен заряд α-частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем. Зная суммарный заряд α-частиц и их число, Резерфорд определил, что заряд одной α-частицы равен двум элементарным. Следовательно, у α-частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. А на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Отсюда был сделан вывод, что α-частица и есть ядро атома гелия.
Чтобы убедиться в полученных результатах, Резерфорд другими опытами доказал, что при радиоактивном α-распаде образуется именно гелий. Собирая α-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий, т.к. каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия.