"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточены протоны и нейтроны, а значит, почти вся его масса. Число протонов определяет химический элемент, а число нейтронов может меняться: так возникают изотопы. Некоторые ядра нестабильны и самопроизвольно превращаются в другие, испуская частицы или излучение. Знание состава ядра и законов радиоактивного распада помогает описывать ядерные превращения и понимать действие радиации.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и окружённая электронной оболочкой. Ядро намного меньше атома, но в нём сосредоточена почти вся его масса. По составу ядра можно определить, к какому элементу относится атом.
Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, из которых построено ядро. Протон имеет положительный электрический заряд, равный +e, а нейтрон электрического заряда не имеет. Это название удобно, когда говорят о числе частиц в ядре, не разделяя их по виду.
Изотоп — разновидность атома одного элемента с определённым числом нейтронов. Число протонов у атомов одного элемента одинаково, а нейтронов может быть разное количество. Понятие изотопа помогает описывать ядра одного элемента с разной массой.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер с испусканием частиц или излучения. Такое превращение называют радиоактивным распадом. Оно позволяет понять, почему одни ядра сохраняются, а другие со временем превращаются в ядра иных элементов.
Ядро обозначают символом химического элемента X с массовым числом A сверху и зарядовым числом Z снизу: ᴬ_ZX. Зарядовое число показывает число протонов и тем самым определяет элемент, а массовое число равно общему числу протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов можно найти вычитанием: N = A − Z. Например, запись ³⁵₁₇Cl означает 17 протонов и 18 нейтронов.
В ядре положительно заряженные протоны электрически отталкиваются, однако ядро обычно остаётся целым. На расстояниях, сравнимых с размером нуклонов, действуют ядерные силы: они притягивают нуклоны и не зависят от того, заряжены они или нет. Эти силы короткодействующие, поэтому удерживают частицы именно внутри очень компактного ядра. Устойчивость зависит от соотношения протонов и нейтронов и от свойств самого ядра.
Если число протонов не меняется, но меняется число нейтронов, получаются изотопы одного элемента. В обычных химических процессах участвует электронная оболочка, а она у нейтральных атомов одного элемента устроена сходным образом. Поэтому химические свойства изотопов близки, хотя их ядра и массы различаются. Например, ядра водорода могут содержать один протон и разное количество нейтронов.
При радиоактивном распаде исходное, или материнское, ядро превращается в другое ядро и продукты излучения. Для записи превращения нужно уравнять сумму массовых чисел и отдельно сумму зарядовых чисел слева и справа: это отражает сохранение числа нуклонов и электрического заряда. Дочернее ядро может принадлежать другому химическому элементу, если изменилось число протонов. Закон сохранения применяют ко всем продуктам реакции, а не только к ядрам.
При альфа-распаде вылетает ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, поэтому у исходного ядра A уменьшается на 4, а Z — на 2. При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон и испускаются электрон и антинейтрино: A не меняется, Z увеличивается на 1. Гамма-квант уносит избыток энергии возбуждённого ядра, не меняя число его протонов и нуклонов. Следовательно, альфа-, бета- и гамма-излучение по-разному меняют ядро и по-разному взаимодействуют с веществом.
| Свойство | Альфа-излучение | Бета-излучение | Гамма-излучение |
|---|---|---|---|
| Что представляет собой | Ядра гелия ⁴₂He | Быстрые электроны или позитроны | Электромагнитные волны высокой частоты |
| Электрический заряд | +2e | −e у β⁻, +e у β⁺ | 0 |
| Изменение A и Z ядра при испускании | A уменьшается на 4, Z — на 2 | A не меняется; Z меняется на 1 | A и Z не меняются |
| Ионизирующая способность | Высокая | Средняя | Сравнительно низкая |
| Проникающая способность | Низкая | Средняя | Высокая |
Сначала сравнивайте, из каких частиц или волн состоит излучение и каков его заряд, затем — как оно меняет ядро. Ионизирующая способность показывает, насколько эффективно излучение образует заряженные частицы в веществе, а проникающая — насколько глубоко оно проходит. Эти свойства связаны: альфа-частицы интенсивно взаимодействуют с веществом и быстро теряют энергию, а гамма-кванты проникают дальше.
В ядре атома содержится 17 протонов и 18 нейтронов. Определите зарядовое и массовое числа и запишите обозначение ядра. Зарядовое число сразу показывает число протонов, а массовое число учитывает все нуклоны. По Z сначала устанавливаем элемент, а затем записываем его символ.
Ответ: Z = 17, A = 35; обозначение ядра — ³⁵₁₇Cl. Проверка: из A − Z получаем 35 − 17 = 18 нейтронов, как дано в условии.
Ядро урана-238 испытало альфа-распад. Нужно записать уравнение и найти A и Z дочернего ядра. При альфа-распаде испускается ядро гелия с A = 4 и Z = 2, поэтому эти числа вычитают из соответствующих чисел исходного ядра. Для урана Z = 92.
Ответ: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Проверка: 238 = 234 + 4 и 92 = 90 + 2, значит, массовые и зарядовые числа сохраняются.
За 12 суток число радиоактивных ядер уменьшилось в 8 раз. Период полураспада — время, за которое распадается половина ядер, оставшихся в данный момент. Поэтому после каждого такого периода число ядер делится на два, а не уменьшается на одну и ту же постоянную величину.
Ответ: период полураспада равен 4 суткам. Проверка: за 12 суток проходят три периода, и после трёх делений пополам остаётся 1/8 исходного количества ядер.
Ошибка: считать массовое число A числом нейтронов. Её допускают, потому что слово «массовое» ошибочно связывают с одной из составляющих ядра, хотя A — это сумма протонов и нейтронов. Для проверки найдите нейтроны по формуле N = A − Z и убедитесь, что A = Z + N.
Ошибка: путать зарядовое число Z с зарядом всего атома. Z означает число протонов в ядре, а не обязательно полный заряд атома: у нейтрального атома столько же электронов, сколько протонов. Проверяя запись, сопоставьте Z с числом протонов, а заряд атома определяйте отдельно по разности протонов и электронов.
Ошибка: при альфа-распаде уменьшать A и Z на одинаковое число. Частица альфа содержит четыре нуклона, но только два протона, поэтому A уменьшается на 4, а Z — на 2. Самопроверка проста: в уравнении распада отдельно сложите A и отдельно Z слева и справа.
Ошибка: считать, что гамма-излучение меняет состав ядра. Поскольку оно испускается ядром, его иногда принимают за потерю частицы, но гамма-квант уносит энергию. Проверьте обозначение дочернего ядра: при гамма-переходе у него сохраняются и A, и Z.
Чтобы разобраться в строении ядра и радиоактивности, нужно знать устройство атома и заряды протона и электрона. Понятие химического элемента помогает понять, почему именно число протонов задаёт название элемента, а сведения об атомной массе подводят к различию масс изотопов. Эти знания связывают устройство электронной оболочки с составом ядра.
Радиоактивность становится основой для дальнейшего изучения ядерных реакций, в которых ядра сталкиваются и превращаются. На тех же представлениях строится изучение деления тяжёлых ядер и синтеза лёгких. Понимание видов излучения также необходимо, чтобы разбираться в применении радиации и мерах защиты от неё.
Почему ядро не распадается под действием отталкивания протонов?
Протоны отталкиваются из-за одинакового электрического заряда, но на очень малых расстояниях между нуклонами действуют ядерные силы. Они сильнее электрического отталкивания и удерживают ядро. Ядерные силы действуют и между протонами, и между нейтронами.
Чем изотопы одного элемента отличаются друг от друга?
У изотопов одинаковое число протонов, поэтому они относятся к одному химическому элементу. Число нейтронов и массовое число у них различаются. Из-за одинакового заряда ядра их химические свойства близки.
Как по обозначению ядра определить число нейтронов?
В обозначении ядра верхнее число A — массовое число, а нижнее Z — число протонов. Чтобы найти количество нейтронов, вычтите Z из A: N = A − Z. Например, если A = 35, а Z = 17, нейтронов 18.
Чем альфа-излучение отличается от бета- и гамма-излучения?
Альфа-излучение представляет собой ядра гелия, бета-излучение — быстрые электроны или позитроны, а гамма-излучение — электромагнитные волны. Они различаются зарядом, ионизирующей и проникающей способностью. При испускании альфа-частицы меняются A и Z, при бета-распаде — Z, а при гамма-излучении состав ядра не меняется.
Почему при гамма-излучении массовое и зарядовое числа не меняются?
Гамма-квант — это порция энергии, а не частица, из которой состоит ядро. Ядро испускает его, переходя из более энергичного состояния в менее энергичное. Число протонов и нуклонов при этом остаётся прежним.
§ 20. Атомное ядро. Радиоактивность
