§ 77. Причины радиоактивности. Альфа- и бета-распады. Правила смещения

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц и излучения. Самопроизвольное означает, что процесс не запускается внешним воздействием. Это понятие нужно, чтобы отличать распад ядра от искусственно вызванной ядерной реакции.

Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы, то есть ядра гелия-4. Альфа-частица обозначается ⁴₂He и содержит два протона и два нейтрона. Такое обозначение сразу показывает, на сколько изменятся массовое и зарядовое числа исходного ядра.

Бета-распад — превращение ядра, при котором нейтрон становится протоном, а из ядра испускаются электрон и антинейтрино. Электрон записывают как ⁰₋₁e, антинейтрино — как ν̄. Определение помогает понять, почему число нуклонов сохраняется, а зарядовое число увеличивается.

Правило смещения — правило, по которому по составу исходного ядра и испущенной частице определяют состав дочернего ядра. Дочерним называют ядро, образовавшееся после распада. Правило связывает изменения чисел A и Z с переходом к другому элементу таблицы Менделеева.

Как это устроено

Радиоактивный распад происходит самопроизвольно, потому что некоторые ядра имеют невыгодное внутреннее сочетание протонов и нейтронов. Такое ядро неустойчиво и может перейти в состояние с меньшей энергией, образовав более устойчивое ядро. Внешняя причина для отдельного распада не требуется, хотя вероятность распада зависит от свойств данного изотопа.

При альфа-распаде из ядра вылетает связанная группа из двух протонов и двух нейтронов. Поэтому исходное ядро теряет четыре нуклона, и его массовое число уменьшается на 4. Число протонов уменьшается на 2, значит, зарядовое число также уменьшается на 2, а новый элемент находится на две позиции левее исходного.

При бета-распаде внутри ядра один нейтрон превращается в протон. Электрон и антинейтрино возникают в процессе этого превращения и покидают ядро, поэтому электрон не следует считать заранее находившейся в нём частицей. Один нейтрон заменяется одним протоном, число нуклонов не меняется, а зарядовое число возрастает на 1.

Уравнение распада записывают с учётом сохранения массового и зарядового чисел. Для альфа-распада общий вид таков: ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He, а для бета-распада: ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁺¹Y + ⁰₋₁e + ν̄. Изменение Z означает переход к другому химическому элементу, который находят по его порядковому номеру в таблице Менделеева.

Сравнение альфа- и бета-распадов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите вид распада и найдите изменения A и Z. Затем подставьте новые числа в обозначение дочернего ядра и определите элемент по зарядовому числу.

Последняя строка помогает составить уравнение целиком. После записи обязательно проверьте, совпадают ли суммы массовых и зарядовых чисел слева и справа.

Разбор задач

1. Альфа-распад урана-238

Условие: запишите уравнение альфа-распада ядра урана-238 и определите дочернее ядро. Уран имеет обозначение ²³⁸₉₂U. При распаде испускается ядро гелия-4.

1. Уменьшаем массовое число: 238 − 4 = 234.
2. Уменьшаем зарядовое число: 92 − 2 = 90.
3. Элемент с Z = 90 — торий, поэтому дочернее ядро обозначается ²³⁴₉₀Th.

Ответ: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Дочернее ядро — ядро тория-234. Проверка даёт 238 = 234 + 4 и 92 = 90 + 2.

2. Бета-распад углерода-14

Условие: ядро углерода-14 испускает электрон при бета-распаде. Нужно записать уравнение и назвать дочернее ядро. Исходное ядро имеет обозначение ¹⁴₆C.

1. Массовое число не меняется, поэтому у дочернего ядра остаётся A = 14.
2. Зарядовое число увеличивается на 1: 6 + 1 = 7.
3. Элемент с Z = 7 — азот; в правую часть добавляем электрон и антинейтрино.

Ответ: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e + ν̄. Дочернее ядро — азот-14. Суммарный заряд справа равен 7 − 1 = 6, поэтому заряд сохраняется.

3. Последовательный распад

Условие: ядро последовательно испытало альфа-распад, затем два бета-распада. Пусть исходное ядро имеет обозначение ᴬ_ZX. Требуется найти итоговые изменения и записать итоговый элемент через исходные A и Z.

1. После альфа-распада получаем A₁ = A − 4 и Z₁ = Z − 2.
2. Каждый бета-распад сохраняет A и увеличивает Z на 1, поэтому после двух распадов A₂ = A − 4, Z₂ = Z.
3. Следовательно, итоговый элемент имеет то же зарядовое число Z, что и исходный, но массовое число на 4 меньше.

Ответ: итоговое ядро — ᴬ⁻⁴_ZX, то есть изотоп того же элемента. В полном решении для конкретного исходного ядра нужно последовательно определить дочерние элементы на каждом шаге. Общая проверка: массовое число уменьшилось только при альфа-распаде, а два изменения Z после бета-распадов компенсировали уменьшение на 2.

Типичные ошибки

При альфа-распаде иногда уменьшают зарядовое число на 1. Так происходит из-за смешения с бета-распадом, где учитывают заряд электрона. Проверьте себя: альфа-частица содержит два протона, поэтому Z уменьшается на 2.

Другая ошибка — уменьшение массового числа при бета-распаде. Ученик может забыть, что нейтрон не исчезает, а превращается в протон, поэтому общее число нуклонов сохраняется. Сверьте A до и после распада: оно должно быть одинаковым.

Нельзя считать, что испущенный электрон заранее находился в ядре. Он возникает в момент превращения нейтрона и записывается среди продуктов распада. Для проверки используйте схему ¹₀n → ¹₁p + ⁰₋₁e + ν̄.

Дочерний элемент определяют не по массовому числу, а по зарядовому. Одинаковое A может встречаться у ядер разных элементов, тогда как Z однозначно задаёт химический элемент. После вычисления Z найдите соответствующий порядковый номер в таблице Менделеева.

Связь с другими темами

Для понимания распадов нужно знать состав атомного ядра, смысл массового и зарядового чисел, а также уметь пользоваться таблицей Менделеева. Эти сведения позволяют составлять ядерные уравнения без запоминания названий всех изотопов.

Правила смещения применяются при изучении ядерных реакций и цепочек радиоактивных превращений. Они также нужны в методах определения возраста веществ, например при анализе последовательности распадов радиоактивных изотопов.

Что запомнить

• Радиоактивный распад — самопроизвольное превращение нестабильного ядра.
• Альфа-частица — ядро гелия-4.
• При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, зарядовое — на 2.
• При бета-распаде нейтрон превращается в протон; испускаются электрон и антинейтрино.
• При бета-распаде массовое число сохраняется, а зарядовое увеличивается на 1.
• Дочерний элемент определяют по зарядовому числу.