"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, при котором испускаются частицы или гамма-кванты. Она показывает, что ядро может изменять состав и энергию без внешнего воздействия. Различают альфа-, бета- и гамма-излучение: они по-разному отклоняются в электрическом и магнитном полях, ионизируют вещество и проникают сквозь него. Чтобы описывать распады и предсказывать их последствия, используют законы сохранения массового и электрического зарядов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в другие ядра, сопровождаемое испусканием частиц или электромагнитного излучения. Нестабильным называют ядро, которому энергетически выгодно перейти в другое состояние. Это понятие нужно, чтобы описывать изменения, происходящие не в электронной оболочке атома, а в его ядре.
Радиоактивное излучение — частицы и гамма-кванты, испускаемые при радиоактивном распаде. Источником служит ядро, потому что именно в нём происходит превращение: испускаемая частица либо была частью ядерного процесса, либо образовалась при нём. Это различие помогает не путать радиоактивность с обычным свечением атомов, возникающим при перестройке электронных оболочек.
Альфа-излучение — поток альфа-частиц, то есть ядер гелия-4. В каждой такой частице два протона и два нейтрона, поэтому её массовое число равно 4, а электрический заряд — +2e, где e — модуль заряда протона. Зная состав альфа-частицы, можно сразу определить, как изменятся характеристики ядра, которое её испустило.
Бета-излучение — поток электронов или позитронов, появляющихся при превращениях внутри ядра. Электронное излучение обозначают β⁻: в таком распаде нейтрон превращается в протон и электрон. Позитронное излучение обозначают β⁺: протон превращается в нейтрон и позитрон; различение этих видов позволяет понять, как меняется заряд ядра.
Радиоактивность возникает из-за нестабильности ядра: соотношение протонов и нейтронов или его энергетическое состояние не соответствуют устойчивому состоянию. Ядро самопроизвольно переходит в другое состояние, испуская частицу или квант энергии. Отдельный распад нельзя вызвать или остановить обычным физическим и химическим воздействием, хотя для большого числа ядер можно определить среднюю скорость распада. Поэтому радиоактивный распад описывают как ядерный процесс, а не как реакцию вещества с окружающей средой.
При альфа-распаде из ядра вылетает частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. Эти четыре нуклона покидают исходное ядро, поэтому дочернее ядро содержит на четыре нуклона меньше: его массовое число уменьшается на 4. Поскольку вместе с частицей уходят два протона, зарядовое число уменьшается на 2. Так, элемент после альфа-распада становится другим химическим элементом.
При β⁻-распаде внутри ядра нейтрон превращается в протон и электрон; электрон покидает ядро. Число нуклонов не меняется: один нейтрон заменился одним протоном, поэтому массовое число A остаётся прежним, а зарядовое число Z возрастает на 1. При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон и позитрон, так что A также сохраняется, а Z уменьшается на 1. В обоих случаях меняется соотношение протонов и нейтронов, но общее количество нуклонов остаётся тем же.
Гамма-излучение появляется, если после распада или другого ядерного процесса ядро остаётся возбуждённым, то есть имеет избыток энергии. Переходя в состояние с меньшей энергией, оно испускает гамма-квант — электромагнитное излучение высокой частоты. Квант не уносит нуклоны и не меняет заряд ядра, поэтому массовое и зарядовое числа остаются прежними. Гамма-излучение может сопровождать альфа- или бета-распад.
Вещество по-разному взаимодействует с альфа-, бета- и гамма-излучением, потому что у них различны заряд и природа. Заряженные альфа- и бета-частицы отклоняются в электрическом и магнитном полях, причём их направления противоположны из-за разных знаков зарядов; нейтральное гамма-излучение не отклоняется. Альфа-частицы сильно ионизируют вещество, но быстро теряют энергию и имеют малую проникающую способность; бета-частицы проникают дальше, а гамма-кванты — дальше всего. Гамма-излучение при этом обычно слабее ионизирует на единицу пути, а для защиты от него нужны толстые слои плотного материала.
| Свойство | Альфа-излучение | Бета-излучение | Гамма-излучение |
|---|---|---|---|
| Природа излучения | Ядра гелия-4 | Электроны β⁻ или позитроны β⁺ | Электромагнитные кванты |
| Электрический заряд | +2e | −e у β⁻; +e у β⁺ | 0 |
| Изменение массового и зарядового чисел ядра при распаде | A уменьшается на 4, Z — на 2 | A не меняется; Z увеличивается на 1 при β⁻ и уменьшается на 1 при β⁺ | A и Z не меняются |
| Отклонение в электрическом и магнитном полях | Отклоняется слабо | Отклоняется заметно; β⁻ и β⁺ — в противоположные стороны | Не отклоняется |
| Ионизирующая способность | Наибольшая | Средняя | Наименьшая на единицу пути |
| Проникающая способность и способы защиты | Малая; задерживается бумагой или внешним слоем кожи | Средняя; задерживается тонким слоем пластика или металла | Наибольшая; ослабляется толстым слоем свинца или бетона |
Сначала сравните природу и заряд излучения: это подскажет, будет ли оно отклоняться в полях. Затем проверьте строку об изменениях A и Z, чтобы правильно записать распад. Последние две строки показывают, почему высокая ионизирующая способность не означает высокой проникающей способности.
Задача 1. Ядро полония-210 претерпевает альфа-распад. Определите массовое и зарядовое числа дочернего ядра. Запишем исходное ядро как ²¹⁰₈₄Po, а альфа-частицу — как ⁴₂He. При распаде должны сохраняться суммарные массовое и зарядовое числа, поэтому неизвестные числа дочернего ядра можно найти из этих двух балансов.
Ответ: массовое число дочернего ядра равно 206, зарядовое — 82. Значит, образуется ядро свинца-206, ²⁰⁶₈₂Pb. Проверка: слева и справа уравнения совпадают и суммы массовых, и суммы зарядовых чисел.
Задача 2. Заполните пропуск в уравнении β⁻-распада ядра углерода-14: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ?. Нужно установить, какая частица уносит недостающий заряд. При β⁻-распаде массовое число ядра не меняется, а зарядовое увеличивается на единицу, поэтому отдельно проверим оба закона сохранения.
Ответ: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Массовое число сохраняется: 14 = 14 + 0, зарядовое тоже: 6 = 7 + (−1). Электрон здесь возникает при превращении нейтрона в протон внутри ядра.
Задача 3. В образце было 800 радиоактивных ядер; период полураспада вещества равен 5 суткам. Сколько ядер останется через 15 суток? Период полураспада — время, за которое в среднем распадается половина ядер данного количества. Поэтому сначала найдём, сколько таких промежутков прошло, а затем будем последовательно делить число ядер пополам.
Ответ: через 15 суток останется в среднем 100 радиоактивных ядер. Тот же результат даёт формула N = N₀ / 2ⁿ: N = 800 / 2³ = 100. Для большого числа ядер расчёт описывает ожидаемое среднее, а не гарантирует точное количество в конкретном образце.
При альфа-распаде иногда уменьшают зарядовое число на 4, потому что путают его с массовым. Но альфа-частица содержит четыре нуклона, из которых только два — протоны: поэтому A уменьшается на 4, а Z на 2. Для проверки запишите частицу как ⁴₂He и проверьте отдельно баланс обоих чисел.
При β⁻-распаде можно ошибочно увеличить массовое число на 1, считая, что появившийся протон добавляется к ядру. На самом деле он образуется из уже находившегося в ядре нейтрона, поэтому общее число нуклонов сохраняется. Проверьте состав до и после: один нейтрон заменён одним протоном, а электрон покидает ядро.
Гамма-излучению иногда приписывают изменение состава ядра, как при испускании альфа- или бета-частицы. Ошибка возникает из-за того, что гамма-квант тоже покидает ядро, но он переносит энергию, а не нуклоны. Проверка проста: в уравнении гамма-перехода A и Z ядра до и после одинаковы.
Можно решить, что нагревание или химическая реакция остановит радиоактивность. Так думают, перенося на ядро привычное влияние температуры на химические процессы, однако распад определяется состоянием ядра. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, затрагивает ли воздействие ядро напрямую: обычное нагревание его состав и вероятность распада практически не меняет.
Для описания распада нужны знания о строении атомного ядра: массовое число — общее число протонов и нейтронов, а зарядовое число равно числу протонов. Законы сохранения массового числа и электрического заряда помогают составлять уравнения ядерных процессов и находить неизвестные частицы. Радиоактивность подготавливает к изучению ядерных реакций, деления и синтеза ядер. Понятие распада также необходимо для понимания периода полураспада и применения радиоактивных изотопов.
Чем радиоактивный распад отличается от обычной химической реакции?
Химическая реакция меняет электронные оболочки и связи между атомами, но обычно не затрагивает их ядра. При радиоактивном распаде изменяется само ядро: его состав или энергетическое состояние. Вероятность такого распада обычно не зависит от химических и обычных физических воздействий.
Почему при бета-распаде массовое число ядра не изменяется?
Массовое число показывает общее количество протонов и нейтронов. При β⁻-распаде один нейтрон превращается в протон, а при β⁺-распаде один протон — в нейтрон, поэтому число нуклонов остаётся прежним. Меняется зарядовое число ядра.
Меняются ли состав и заряд ядра при испускании гамма-кванта?
Нет. Гамма-квант уносит избыток энергии возбуждённого ядра, но не является протоном или нейтроном. Поэтому состав ядра, его массовое и зарядовое числа сохраняются.
Какой вид радиоактивного излучения обладает наибольшей проникающей способностью?
Наибольшей проникающей способностью обладает гамма-излучение. Для его ослабления используют толстые слои плотных материалов, например свинца или бетона. Альфа- и бета-излучение задерживаются более простыми преградами.
Можно ли ускорить или остановить радиоактивный распад нагреванием вещества?
Обычно нельзя: нагревание, охлаждение и химические реакции почти не влияют на вероятность распада ядра. Распад происходит самопроизвольно из-за нестабильности ядра. Поэтому обычным воздействием нельзя полностью прекратить радиоактивность.
§ 69. Радиоактивность
