§ 8.4. Естественная радиоактивность

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или излучения. Самопроизвольность означает, что для распада не требуется внешняя команда или запуск. Это понятие нужно, чтобы отличать радиоактивные превращения от реакций, которые вызывают облучением или столкновением частиц.

Альфа-излучение — поток ядер гелия-4, каждое из которых содержит два протона и два нейтрона. Его заряд равен +2e, где e — элементарный заряд; масса частицы сравнительно велика. Альфа-частицы сильно взаимодействуют с веществом и быстро теряют энергию, поэтому их проникающая способность невелика: обычно их останавливает лист бумаги или внешний слой кожи.

Бета-излучение — поток электронов или позитронов, возникающих при превращениях в ядре. При бета-минус-распаде испускается электрон, а не электрон, который уже находился внутри ядра: он появляется, когда нейтрон превращается в протон. Знание вида бета-частицы помогает правильно определить знак заряда и изменение зарядового числа ядра.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение, которое испускает возбуждённое ядро при переходе к меньшей энергии. Гамма-квант не имеет электрического заряда и массы покоя. Это определение позволяет понять, почему гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями и почему его испускание само по себе не меняет состав ядра.

Как это устроено

Радиоактивность обнаруживается у нестабильных ядер, потому что их состояние не является наиболее устойчивым. Такое ядро может перейти в другое состояние, испустив частицу или излучение. Распад называют самопроизвольным: внешние условия обычно не определяют момент превращения конкретного ядра, хотя свойства вещества и вероятность распада изучают для большого числа ядер.

При альфа-распаде ядро испускает частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Эти четыре нуклона покидают ядро, поэтому число нуклонов в дочернем ядре, то есть массовое число A, уменьшается на 4. Поскольку вместе с частицей уходят два протона, зарядовое число Z уменьшается на 2; в записи ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He эти изменения видны сразу.

При бета-минус-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Электрон и антинейтрино покидают ядро, но число нуклонов не меняется: один нейтрон заменился одним протоном. Поэтому A остаётся прежним, а Z становится на единицу больше: ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁺¹Y + e⁻ + ν̄.

Гамма-излучение появляется, если ядро после превращения или возбуждения обладает избытком энергии. Переходя в состояние с меньшей энергией, оно испускает гамма-квант, который уносит эту энергию. Протоны и нейтроны при этом остаются в ядре, поэтому A и Z не меняются: меняется энергетическое состояние, а не состав ядра.

Заряд и масса частиц определяют, как излучение взаимодействует с веществом и полями. Заряженные альфа- и бета-частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, причём лёгкие бета-частицы обычно отклоняются сильнее; нейтральное гамма-излучение не отклоняется. Альфа-частицы интенсивно ионизируют вещество, но быстро теряют энергию, а гамма-кванты взаимодействуют реже и проникают глубже. Поэтому ионизирующая способность не означает большую проникающую способность.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Сначала определите природу излучения и его заряд, а затем сопоставьте их с отклонением в поле и изменениями A и Z. Последние две строки показывают, почему сильная ионизация не обязательно означает большую глубину проникновения. Защита зависит от вида излучения и толщины материала.

Разбор задач

Определение вида излучения

Условие: излучение не отклоняется в электрическом поле, обладает большой проникающей способностью и является электромагнитным. Нужно определить его вид. Удобнее начать с природы излучения, а затем проверить вывод по поведению в поле.

1. Сопоставляем признак «электромагнитное» с определениями: альфа- и бета-излучение состоят из частиц, а гамма-излучение — из электромагнитных волн. Это сразу указывает на гамма-кванты. Далее проверяем, подходит ли их заряд к описанному поведению.

2. У гамма-квантов нет электрического заряда, поэтому электрическое поле не отклоняет их. Гамма-излучение также проникает глубже, чем альфа- и бета-излучение. Все три признака согласуются с одним видом излучения.

Ответ: гамма-излучение.

Альфа-распад полония-210

Условие: записать уравнение альфа-распада ядра полония-210 и определить массовое и зарядовое числа дочернего ядра. Обозначение полония — Po, его зарядовое число Z = 84. В уравнении нужно сохранить суммарные массовое и зарядовое числа слева и справа.

1. Записываем исходное ядро как ²¹⁰₈₄Po. При альфа-распаде испускается ядро гелия ⁴₂He, поэтому дочернее ядро должно иметь массовое число 210 − 4 = 206. Проверка по массовому числу: 206 + 4 = 210.

2. Зарядовое число дочернего ядра равно 84 − 2 = 82. Элемент с Z = 82 — свинец, Pb. Проверяем баланс зарядов: 82 + 2 = 84, значит, в уравнении сохранены оба числа.

Ответ: ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He; дочернее ядро имеет A = 206 и Z = 82.

Бета-минус-распад углерода-14

Условие: ядро углерода-14 претерпевает бета-минус-распад. Нужно записать превращение и назвать образовавшееся ядро. Для углерода Z = 6, а при бета-минус-распаде массовое число сохраняется, зарядовое увеличивается на единицу.

1. Записываем исходное ядро как ¹⁴₆C. Массовое число дочернего ядра остаётся равным 14, потому что нейтрон превращается в протон и общее число нуклонов не меняется. Это правило отличает бета-минус-распад от альфа-распада.

2. Увеличиваем зарядовое число на единицу: Z = 6 + 1 = 7. Элемент с Z = 7 — азот, N. В правой части также записываем электрон и электронное антинейтрино, которые образуются при превращении нейтрона.

Ответ: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + e⁻ + ν̄; образуется ядро азота-14.

Типичные ошибки

Ошибка: уменьшать массовое число при альфа-распаде только на 2. Так рассуждают, считая число протонов в альфа-частице и забывая о двух нейтронах. Альфа-частица содержит четыре нуклона, поэтому проверьте, что A дочернего ядра меньше исходного на 4, а Z — на 2.

Ошибка: менять массовое число при бета-минус-распаде. Её допускают, потому что из ядра вылетает электрон и кажется, что в нём стало на одну частицу меньше. Но нейтрон одновременно превращается в протон, поэтому общее число нуклонов сохраняется; проверьте, что A осталось прежним, а Z выросло на 1.

Ошибка: приписывать гамма-кванту заряд или массу покоя. Иногда его принимают за обычную частицу, подобную электрону или ядру гелия. Гамма-квант — электромагнитное излучение, поэтому проверьте, что у него нет электрического заряда и массы покоя, а состав ядра при его испускании не меняется.

Ошибка: считать, что проникающее излучение обязательно сильнее ионизирует. Эти свойства описывают разные стороны взаимодействия с веществом: ионизация связана с передачей энергии атомам, а проникновение — с тем, насколько глубоко проходит излучение. Чтобы проверить себя, сравните альфа- и гамма-излучение: альфа-частицы сильно ионизируют, но легко задерживаются, гамма-кванты проникают глубже.

Связь с другими темами

Для работы с радиоактивностью нужны знания о составе ядра, протонах и нейтронах, а также о массовом и зарядовом числах. Обозначение ядра ᴬ_ZX позволяет увидеть, какие числа должны сохраняться в ядерном уравнении. Поэтому правила распада связаны с законами сохранения и пригодятся при изучении искусственных ядерных превращений.

Представления о распаде помогают понять, как радиоактивность меняется со временем, как устроены процессы в ядерной энергетике и почему необходима радиационная защита. Разные виды излучения по-разному проходят через вещество, поэтому способы защиты выбирают с учётом их свойств. Знание природы излучения позволяет оценивать опасность и применять радиоактивные источники обоснованно.

Что запомнить

• Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — ядро гелия-4; при альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, зарядовое — на 2.
• При бета-минус-распаде массовое число не меняется, а зарядовое увеличивается на 1.
• Гамма-излучение не меняет состав ядра.
• Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются природой, зарядом, ионизирующей и проникающей способностями.
• Ионизирующая способность и проникающая способность — разные характеристики излучения.