§ 52. Естественная радиоактивность

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. Такое превращение называют радиоактивным распадом. Понятие нужно, чтобы описывать изменения ядер, происходящие без внешнего запуска.

Альфа-излучение — поток ядер гелия, которые испускаются при некоторых радиоактивных превращениях. Такое ядро содержит два протона и два нейтрона, поэтому его обозначают ⁴₂He. Это обозначение помогает сразу определить, на сколько изменятся числа исходного ядра при распаде.

Бета-излучение — поток электронов или позитронов, возникающих при превращениях в ядре. Электрон испускается при бета-минус-распаде, а позитрон — при бета-плюс-распаде. Различие важно, потому что в этих случаях заряд ядра меняется в противоположных направлениях.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой частоты, испускаемое ядром при переходе в состояние с меньшей энергией. Оно не состоит из ядер гелия или электронов, а переносится гамма-квантами. Это определение позволяет отличать отдачу энергии ядром от превращения его частиц.

Как это устроено

Радиоактивность называют естественной, потому что распад начинается внутри нестабильного ядра и не требует воздействия извне. В ядре действуют силы, удерживающие частицы вместе, но некоторые сочетания протонов и нейтронов оказываются неустойчивыми. Такое ядро может перейти в более устойчивое состояние, испустив частицу или энергию. Поэтому внешнее воздействие не выбирает момент распада отдельного ядра.

При альфа-распаде из ядра вылетает альфа-частица — два протона и два нейтрона. Оставшееся ядро теряет четыре нуклона, поэтому его массовое число A уменьшается на четыре. Поскольку у него стало на два протона меньше, зарядовое число Z уменьшается на два. Например, элемент-продукт определяют по новому Z, а не по числу испущенных частиц в целом.

Бета-распад связан с превращением одного нуклона в другой. При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон и испускается электрон; при бета-плюс-распаде протон превращается в нейтрон и испускается позитрон. Число нуклонов остаётся прежним, поэтому A не меняется. А число протонов меняется на единицу: Z возрастает при β⁻ и убывает при β⁺.

Гамма-излучение возникает, когда ядро, уже обладающее избытком энергии, переходит в состояние с меньшей энергией. При этом оно испускает гамма-квант — порцию электромагнитного излучения. Протоны и нейтроны не покидают ядро и не превращаются друг в друга. Поэтому массовое и зарядовое числа при гамма-переходе сохраняются.

Излучения по-разному взаимодействуют с веществом. Альфа-частицы, имея заряд и сравнительно большую массу, часто сталкиваются с атомами и сильно их ионизируют, но быстро теряют энергию. Бета-частицы ионизируют слабее альфа-частиц и проникают дальше, а незаряженное гамма-излучение обычно проходит глубже всего. Поэтому альфа-излучение задерживает бумага, бета-излучение — слой алюминия, а гамма-излучение заметно ослабляют толстые слои свинца или бетона.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Сначала сравните, из чего состоит каждый вид излучения и какой у него заряд: это помогает понять, почему он взаимодействует с веществом именно так. Затем используйте строку об изменении A и Z, чтобы определить продукт распада. Ионизирующая и проникающая способности — разные характеристики, поэтому оценивайте их по отдельным строкам.

Разбор задач

1. Альфа-распад урана-238

Ядро урана-238 испустило альфа-частицу; нужно найти числа образовавшегося ядра. Уран имеет зарядовое число 92, а массовое число исходного ядра равно 238. При альфа-распаде уходит ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Поэтому применяем правила изменения A и Z.

1. Записываем исходные числа: A = 238, Z = 92.
2. Вычитаем четыре из массового числа: 238 − 4 = 234.
3. Вычитаем два из зарядового числа: 92 − 2 = 90.
4. Ядру с Z = 90 соответствует торий, значит, образуется ²³⁴₉₀Th.

Ответ: массовое число равно 234, зарядовое — 90; образуется ядро тория-234. Проверка по числу протонов и нуклонов подтверждает, что в испущенной альфа-частице учтены два протона и четыре нуклона.

2. Бета-минус-распад углерода-14

Углерод-14 испытывает бета-минус-распад. Требуется указать новые A и Z и назвать элемент. Углерод имеет Z = 6, а его массовое число A = 14. При таком распаде нейтрон становится протоном, поэтому число нуклонов сохраняется, а число протонов увеличивается на один.

1. Записываем исходные числа: A = 14, Z = 6.
2. Оставляем массовое число неизменным: A = 14.
3. Увеличиваем зарядовое число на единицу: Z = 6 + 1 = 7.
4. Элемент с Z = 7 — азот; продукт распада — ¹⁴₇N.

Ответ: массовое число остаётся равным 14, зарядовое становится равным 7; образуется азот-14. Если записать испускаемый электрон, баланс зарядов также будет соблюдён: заряд ядра увеличился на единицу, а электрон уносит заряд −e.

3. Альфа-распад, затем бета-минус-распад

Пусть исходные числа ядра равны A и Z. Сначала происходит альфа-распад, а после него — бета-минус-распад. Нужно найти числа ядра после обоих превращений, поэтому правила применяем по порядку. Важно не считать изменения от второго распада по исходным числам: он действует уже на продукт первого.

1. После альфа-распада массовое число равно A − 4, а зарядовое — Z − 2.
2. При последующем бета-минус-распаде массовое число сохраняется, значит, остаётся A − 4.
3. Бета-минус-распад увеличивает зарядовое число на единицу: (Z − 2) + 1 = Z − 1.
4. Итоговые числа проверяем по отдельности: массовое уменьшилось на четыре, зарядовое — на единицу.

Ответ: A₍итог₎ = A − 4, Z₍итог₎ = Z − 1. Такой результат можно получить и сложением изменений: для A это −4 + 0, для Z — −2 + 1.

Типичные ошибки

• Ошибочно считать, что гамма-излучение меняет A или Z. Это происходит из-за того, что любое испускание квантов принимают за потерю частиц ядра. Проверьте себя: гамма-квант переносит энергию, а состав ядра остаётся прежним.

• При альфа-распаде иногда вычитают четыре и из A, и из Z. Так происходит, если смешать число нуклонов в альфа-частице с числом содержащихся в ней протонов. Самопроверка проста: в ядре гелия два протона и два нейтрона, значит, A уменьшается на четыре, а Z — на два.

• При бета-распаде могут ошибочно изменить массовое число. Путаница возникает потому, что одна частица ядра превращается в другую. Но число нуклонов сохраняется: меняется только Z, поэтому проверьте, что A осталось прежним.

• Большую проникающую способность иногда принимают за большую ионизирующую. Путают их, потому что обе характеристики описывают действие излучения на вещество. Сопоставьте два отдельных свойства: альфа-излучение сильно ионизирует, но задерживается легче гамма-излучения.

Связь с другими темами

Для разбора распадов нужно знать состав атомного ядра и различать протоны и нейтроны. Массовое число A показывает общее число нуклонов, а зарядовое число Z — число протонов. Без этих обозначений нельзя проследить, как превращение меняет ядро.

Правила бета-распада связаны с законом сохранения электрического заряда и превращениями частиц внутри ядра. Изменение заряда ядра согласуется с зарядом испущенного электрона или позитрона. Это позволяет проверять правильность уравнения распада.

Представления о радиоактивном распаде и видах излучения пригодятся при изучении ядерных реакций и ядерной энергетики. Знание проникающей способности излучений помогает понять основы радиационной безопасности. Например, оно объясняет, почему для разных источников требуются разные способы защиты.

Что запомнить

• Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.

• При альфа-распаде массовое число уменьшается на четыре, зарядовое — на два.

• При бета-минус-распаде массовое число сохраняется, зарядовое увеличивается на единицу.

• При гамма-излучении ядро теряет энергию, но его массовое и зарядовое числа не меняются.

• Альфа-излучение обладает высокой ионизирующей и низкой проникающей способностью.

• Гамма-излучение проникает глубже, чем альфа- и бета-излучение.