56. Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или излучения. Самопроизвольность означает, что распад не запускается обычным нагреванием или освещением. Это понятие помогает описывать превращения одних ядер в другие.

Альфа-излучение — поток альфа-частиц, то есть ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Такая частица не содержит электронов и имеет заряд +2e. Поэтому при альфа-распаде меняются и масса ядра, и его заряд.

Бета-излучение — поток быстрых электронов или позитронов, испускаемых при превращении частиц внутри ядра. В школьных задачах чаще рассматривают β⁻-распад с испусканием электрона. Это определение нужно, чтобы связать состав излучения с изменением зарядового числа.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой частоты, испускаемое ядром при переходе в состояние с меньшей энергией. Оно не состоит из массивных заряженных частиц. Поэтому гамма-переход изменяет энергию ядра, но не его состав.

Как это устроено

Некоторые ядра нестабильны: их состав или внутренняя энергия не соответствуют устойчивому состоянию. Такое ядро самопроизвольно переходит в более устойчивое, испуская частицу или квант излучения. Внешний нагрев и освещение меняют состояние электронов атома, но обычно не способны изменить внутреннюю структуру ядра, поэтому радиоактивность не вызывается ими.

При альфа-распаде из ядра вылетают два протона и два нейтрона. Поскольку эти четыре нуклона покидают ядро, массовое число уменьшается на четыре, а число протонов — на два. Поэтому для исходного ядра ^A_ZX дочернее ядро имеет вид ^A−4_Z−2Y.

При β⁻-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон, а электрон покидает ядро как бета-частица. Общее число протонов и нейтронов не меняется, поэтому массовое число остаётся прежним. Число протонов увеличивается на единицу, и дочерний элемент имеет зарядовое число Z + 1.

Возбуждённое ядро может избавиться от избытка энергии, испустив гамма-квант. При этом протоны и нейтроны не покидают ядро, поэтому массовое и зарядовое числа сохраняются. Альфа- и бета-частицы отклоняются в полях из-за заряда, причём лёгкие бета-частицы отклоняются сильнее; гамма-кванты не отклоняются, а их большая проникающая способность связана с отсутствием заряда и слабым взаимодействием с веществом.

Сравнение радиоактивных излучений

Сначала определите, что именно испускается: массивная частица, электрон или электромагнитная волна. Затем используйте знак заряда для направления отклонения и сравните проникающую способность. Последняя строка таблицы помогает правильно составить ядерное уравнение.

Разбор задач

Задача 1. Альфа-распад

Определить состав альфа-частицы и найти, как изменятся массовое и зарядовое числа ядра при альфа-распаде. Рассуждать нужно не по названию частицы, а по числу протонов и нейтронов, которые покидают ядро. Именно они определяют изменения A и Z.

1. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, то есть является ядром ⁴₂He.
2. Из-за потери четырёх нуклонов массовое число уменьшается: A' = A − 4.
3. Из-за потери двух протонов зарядовое число уменьшается: Z' = Z − 2.

Ответ: альфа-частица — ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами; при α-распаде A уменьшается на 4, а Z — на 2. Например, ²³⁸₉₂U превращается в ²³⁴₉₀Th.

Задача 2. Бета-распад

По ядерному уравнению β⁻-распада определить неизвестное дочернее ядро. Пусть записано превращение ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Проверим его по сохранению массового числа и электрического заряда.

1. Сумма массовых чисел справа равна 14 + 0 = 14, поэтому массовое число дочернего ядра равно 14.
2. Для зарядовых чисел выполняется Z = 7 + (−1) = 6, как у исходного ядра.
3. Значит, дочернее ядро имеет Z = 7 и A = 14, то есть это азот-14.

Ответ: неизвестное ядро — ¹⁴₇N. В общем случае при β⁻-распаде A сохраняется, а Z дочернего ядра на единицу больше исходного.

Задача 3. Определение вида излучения

Пучок проходит через электрическое поле и поглотители: один компонент отклоняется к положительной пластине, другой — к отрицательной, третий не отклоняется и проходит через толстую преграду. Нужно сопоставить наблюдения с видами излучения. Для этого последовательно учитываем знак заряда, массу частиц и способность проникать сквозь вещество.

1. Отклонение к положительной пластине означает отрицательный заряд, значит, это поток электронов — β⁻-излучение.
2. Отклонение к отрицательной пластине соответствует положительно заряженным альфа-частицам.
3. Неотклонённый компонент с наибольшей проникающей способностью — гамма-излучение.

Ответ: к положительной пластине отклоняется β⁻-излучение, к отрицательной — α-излучение, а неотклоняемый проникающий компонент — γ-излучение. Если направление отклонения не указано, дополнительно сравнивают толщину поглотителей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать альфа-частицу атомом гелия. Так думают из-за совпадения названия элемента, но у альфа-частицы нет электронов. Проверка проста: её состав — два протона и два нейтрона, заряд +2e.

Ошибка: путать направление отклонения бета- и альфа-частиц. Альфа-частица положительна, а электрон отрицателен, поэтому в одном поле они отклоняются в противоположные стороны. Перед ответом выпишите знак заряда каждой частицы.

Ошибка: считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. Гамма-кванты являются электромагнитным излучением и не отклоняются в электрическом или магнитном поле. Если луч не отклоняется, это ещё нужно сопоставить с его высокой проникающей способностью.

Ошибка: изменять A или Z при гамма-излучении. При гамма-переходе ядро лишь теряет избыток энергии, не меняя состава. Проверьте, покидали ли ядро протоны или нейтроны: если нет, оба числа сохраняются.

Связь с другими темами

Для радиоактивности нужны знания о строении атомного ядра, нуклонах, массовом числе A и зарядовом числе Z. Без этих обозначений трудно составлять и проверять ядерные уравнения.

Понимание электрического и магнитного полей объясняет отклонение альфа- и бета-частиц. Знак заряда задаёт направление отклонения, а масса влияет на его величину.

Радиоактивные превращения служат основой для изучения ядерных реакций и ядерной энергетики. Сравнение проникающей способности излучений подводит к теме защиты от радиации.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — ядро гелия; при альфа-распаде массовое число уменьшается на четыре, зарядовое — на два.
• При бета-распаде меняется зарядовое число ядра, а массовое остаётся прежним.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение, не имеющее электрического заряда.
• Альфа- и бета-излучения отклоняются в электрическом и магнитном полях, гамма-излучение — нет.
• Проникающая способность возрастает в ряду: альфа-, бета-, гамма-излучение.