§ 40. Явление радиоактивности. Ядерные реакции

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. Нестабильное ядро может перейти в другое состояние без внешнего воздействия. Это понятие нужно, чтобы описывать распад ядер и возникающее при нём излучение.

Альфа-излучение — поток альфа-частиц, то есть ядер атомов гелия. В такой частице два протона и два нейтрона, поэтому её обозначают ⁴₂He. Знание её состава позволяет предсказывать, как изменятся числа в ядре при альфа-распаде.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, испускаемых при превращении нейтрона в протон внутри ядра. Электрон уносит отрицательный заряд, а заряд ядра при этом возрастает на единицу. Это определение помогает не путать изменение заряда ядра с изменением общего числа частиц в нём.

Ядерная реакция — превращение атомных ядер при их взаимодействии с частицами или друг с другом. В записи реакции показывают исходные ядра и частицы, а также продукты превращения. Такое описание позволяет проверять сохранение массового и зарядового чисел.

Как это устроено

Радиоактивность возникает из-за нестабильности ядра: его состав или состояние могут измениться без внешнего толчка. При превращении ядро испускает частицу либо излучение и становится другим ядром или переходит в состояние с меньшей энергией. Поэтому радиоактивность описывает не движение электронов вокруг атома, а изменения в его ядре. Испускаемые частицы и излучение называют радиоактивным излучением.

При альфа-распаде ядро испускает частицу ⁴₂He. В ней четыре нуклона, из которых два — протоны, поэтому дочернее ядро теряет четыре единицы массового числа и две единицы зарядового. Например, при распаде урана-238 получается ядро с A = 234 и Z = 90. Элемент с таким зарядовым числом — торий, поэтому запись имеет вид ²³⁸₉₂U → ⁴₂He + ²³⁴₉₀Th.

При бета-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, а наружу вылетает электрон. Общее число протонов и нейтронов не меняется: один нейтрон заменён одним протоном. Поэтому массовое число A остаётся прежним, а зарядовое число Z увеличивается на 1. Изменение Z означает, что после распада образуется ядро другого химического элемента.

Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются природой и поведением в веществе. Альфа-излучение — тяжёлые положительно заряженные частицы, бета-излучение — лёгкие отрицательно заряженные электроны, а гамма-излучение — электромагнитные волны без электрического заряда. Чем сильнее излучение ионизирует вещество, тем больше частиц оно может выбить из атомов; у альфа-частиц ионизирующая способность велика. Проникающая способность, напротив, выше у гамма-излучения: оно проходит дальше в веществе, чем альфа- и бета-частицы.

Ядерные реакции записывают так, чтобы по обе стороны стрелки находились исходные и образовавшиеся ядра и частицы. В реакции должны совпадать суммы массовых чисел A, а также суммы зарядовых чисел Z: эти величины сохраняются. Например, в записи ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹₁H + ¹⁷₈O слева A = 18 и Z = 9, и справа получаются те же суммы. Такая проверка помогает найти неизвестное ядро, даже если его обозначение не указано.

Сравнение радиоактивных излучений

Сравнивайте свойства по строкам: так легче увидеть различия между тремя видами излучения. Если в условии указаны ядра гелия или задерживание бумагой, это признаки альфа-излучения. Для выбора защиты учитывайте, что гамма-излучение проникает дальше остальных.

Разбор задач

Определяем вид излучения

Условие. Излучение представляет собой ядра гелия, имеет положительный заряд и задерживается листом бумаги. Нужно определить его вид. Здесь достаточно сопоставить состав частицы с известными свойствами радиоактивных излучений.

1. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов и называется альфа-частицей. Следовательно, поток таких частиц — альфа-излучение. Положительный заряд и задерживание бумагой подтверждают вывод.

Ответ: альфа-излучение.

Восстанавливаем уравнение альфа-распада

Условие. Дополните запись ²³⁸₉₂U → ⁴₂He + ?. Требуется определить массовое и зарядовое числа неизвестного ядра. Их находим независимо, сохраняя соответствующие суммы слева и справа.

1. Для массового числа неизвестного ядра вычитаем число альфа-частицы из числа исходного ядра: 238 − 4 = 234. Для зарядового числа выполняем такое же действие: 92 − 2 = 90. Полученное ядро — торий-234, поскольку элемент с Z = 90 называется торием.

Ответ: ²³⁸₉₂U → ⁴₂He + ²³⁴₉₀Th.

Находим неизвестное ядро в реакции

Условие. Ядро азота-14 облучают альфа-частицами: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹₁H + ?. Нужно найти неизвестное ядро. Сначала установим его числа A и Z, не пытаясь угадать химический элемент.

1. Складываем массовые числа слева: 14 + 4 = 18. Справа уже есть протон с A = 1, поэтому у неизвестного ядра A = 18 − 1 = 17. Зарядовые числа слева дают 7 + 2 = 9; после вычитания заряда протона неизвестное Z = 9 − 1 = 8.
2. Зарядовое число 8 принадлежит кислороду. Значит, неизвестное ядро — кислород-17, а равенство обеих сумм подтверждает правильность результата. Подстановка ядра завершает запись реакции.

Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹₁H + ¹⁷₈O.

Типичные ошибки

Уменьшают зарядовое число при альфа-распаде на 1. Так ошибаются, если не учитывают, что альфа-частица содержит два протона, а не один. Поэтому из исходного ядра уходит заряд, равный двум элементарным зарядам. Проверьте себя: у ⁴₂He нижний индекс равен 2, и именно на него уменьшается Z.

Изменяют массовое число при бета-распаде. Электрон испускается, поэтому его могут ошибочно считать частицей, уменьшающей A ядра. Но в ядре нейтрон превращается в протон, а общее число нуклонов сохраняется. Для проверки сравните суммы массовых чисел по обе стороны уравнения: они должны совпасть.

Путают массовое и зарядовое числа. Обычно это происходит, когда числа в обозначении ядра читают без понимания: A показывает число нуклонов, Z — число протонов. В результате можно правильно найти одно число, но ошибиться в другом. Сложите A отдельно от Z слева и справа, а затем проверьте оба равенства.

Называют гамма-излучение потоком заряженных частиц. Его могут смешивать с альфа- и бета-излучением, потому что все три вида возникают при ядерных процессах. Однако гамма-излучение — электромагнитные волны без электрического заряда, а не частицы с зарядом. Проверка: для гамма-кванта не нужно указывать зарядовое число как у ядра гелия или электрона.

Связь с другими темами

Для понимания радиоактивности нужны знания о строении атома и ядра. Протоны и нейтроны входят в состав ядра, а число протонов задаёт зарядовое число и химический элемент. Массовое число показывает общее количество протонов и нейтронов.

При составлении уравнений ядерных реакций используют закон сохранения электрического заряда. Проверка зарядовых чисел помогает убедиться, что уравнение составлено правильно. Эти знания применяются при изучении строения вещества и ядерной энергетики.

Радиоактивные превращения служат основой для дальнейшего изучения ядерных реакций. Среди них — деление тяжёлых ядер и синтез лёгких ядер, при которых также анализируют исходные частицы и продукты. Поэтому правила записи распада пригодятся при разборе этих процессов.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — ядро гелия; при альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, зарядовое — на 2.
• При бета-распаде массовое число не меняется, а зарядовое число увеличивается на 1.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение, испускаемое ядром.
• В ядерном уравнении сохраняются суммарные массовые и зарядовые числа.
• Радиоактивное превращение ядра является ядерной реакцией.