§ 54. Искусственная радиоактивность

Определения и обозначения

Искусственная радиоактивность — радиоактивность ядра, которое образовалось в ядерной реакции, вызванной облучением другого ядра. Значит, новое нестабильное ядро не обязательно присутствовало в веществе изначально: его можно получить, направив на ядра поток частиц. Это понятие помогает отличать получение радиоактивного вещества от его последующего распада.

Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с частицей или другим ядром. В реакции состав ядра и его заряд могут измениться, но суммарные массовое число и электрический заряд сохраняются. Это правило позволяет составлять и проверять уравнения, даже если одна из частиц неизвестна.

Радиоактивный изотоп — нестабильный изотоп, ядро которого самопроизвольно распадается. Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов; поэтому ядра одного элемента могут отличаться устойчивостью. Понятие нужно, чтобы описать продукт реакции, который испускает излучение уже после прекращения облучения.

Позитрон — частица с массой электрона и положительным элементарным зарядом; её обозначают e⁺ или ⁰₊₁e. Хотя заряд позитрона такой же, как у протона, позитрон намного легче и не является протоном. Это различие важно при определении частицы в реакции и изменении заряда ядра.

Как это устроено

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили искусственную радиоактивность, облучая вещества альфа-частицами. При таком взаимодействии налетающая частица может войти в состав ядра или вызвать его превращение с испусканием другой частицы. В результате возникает ядро, которого не было в исходном веществе; если оно нестабильно, после облучения продолжает испускать излучение. Так исследователи установили, что радиоактивные вещества можно получать искусственно.

Примером служит облучение алюминия-27 альфа-частицами. Запишем известные ядра: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ?. Слева массовое число равно 27 + 4 = 31, поэтому неизвестная частица должна иметь массовое число 1; заряд слева равен 13 + 2 = 15, а у фосфора уже 15. Следовательно, недостающая частица имеет A = 1 и Z = 0 — это нейтрон: ¹₀n.

В реакции образуется фосфор-30, ядро которого нестабильно. Оно распадается самопроизвольно и испускает позитрон, превращаясь в ядро кремния-30: ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₊₁e. Массовые числа справа дают 30, а заряды — 14 + 1 = 15, как и слева. При таком распаде протон в ядре превращается в нейтрон, поэтому число протонов уменьшается на единицу.

Здесь важно разделять два процесса. Сначала внешнее облучение вызывает ядерную реакцию, которая создаёт фосфор-30; потом, уже без участия налетающих альфа-частиц, нестабильное ядро распадается. Именно второй этап представляет собой радиоактивность полученного изотопа. Если смешать этапы, можно ошибочно решить, что радиоактивный распад происходит только пока вещество облучают.

Искусственные радиоактивные изотопы получают не только облучением альфа-частицами: применяют и другие ядерные реакции с разными частицами и ядрами. Выбор реакции позволяет получить нужный изотоп, а его излучение — обнаружить даже небольшое количество радиоактивного вещества. По характеру излучения можно изучать свойства и поведение изотопа. Поэтому искусственные радиоизотопы используют как способ сделать процессы в веществе доступными для наблюдения.

Этапы получения искусственного радиоактивного изотопа на примере фосфора-30

Сначала проследите, какие частицы входят в каждое уравнение и на каком этапе они участвуют. Затем проверьте отдельно сохранение массового числа и заряда. Таблица помогает не смешивать реакцию получения изотопа с его последующим распадом.

Разбор задач

Задача 1. Дополните реакцию: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ?. Нужно определить массовое число и заряд неизвестной частицы. Составим два баланса, потому что сохранение только одной величины не определило бы частицу однозначно.

1. Сравним массовые числа: слева 27 + 4 = 31, справа уже есть 30. Значит, у частицы не хватает A = 1.

2. Сравним заряды: слева 13 + 2 = 15, у фосфора справа уже 15. Значит, заряд частицы равен нулю.

3. Частица с A = 1 и Z = 0 — нейтрон, ¹₀n. Проверка: 31 = 30 + 1, а 15 = 15 + 0.

Ответ: ¹₀n; ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n.

Задача 2. Запишите распад фосфора-30 с испусканием позитрона и определите дочернее ядро. Позитрон имеет A = 0 и Z = +1, поэтому сначала найдём неизвестные числа ядра из законов сохранения.

1. Массовое число дочернего ядра должно быть 30: 30 = A + 0, значит, A = 30.

2. Для зарядов получаем 15 = Z + 1, следовательно, Z = 14. Элемент с зарядовым числом 14 — кремний.

3. Записываем продукт и проверяем баланс: ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₊₁e. Массовое число не меняется, а заряд справа равен 14 + 1 = 15.

Ответ: дочернее ядро — кремний-30; ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₊₁e.

Задача 3. Ядро ²³₁₁Na захватило нейтрон и испустило альфа-частицу. Найдём ядро-продукт и запишем реакцию. Здесь нейтрон добавляет к системе единицу массового числа, а альфа-частица уносит A = 4 и Z = 2.

1. Запишем схему: ²³₁₁Na + ¹₀n → ядро-продукт + ⁴₂He.

2. По массовым числам для неизвестного ядра получаем A = 23 + 1 − 4 = 20. По зарядам Z = 11 + 0 − 2 = 9.

3. Элемент с Z = 9 — фтор, поэтому продукт — фтор-20. Проверка: слева A = 24 и Z = 11, справа A = 20 + 4 = 24 и Z = 9 + 2 = 11.

Ответ: ²³₁₁Na + ¹₀n → ²⁰₉F + ⁴₂He.

Типичные ошибки

• Считать, что радиоактивность возникает прямо во время облучения. Так думают, потому что оба процесса связаны с частицами, но облучение вызывает реакцию, а радиоактивность проявляется при последующем распаде нестабильного продукта. Проверяйте себя: укажите, какая частица вызывает реакцию, и отдельно запишите распад образовавшегося ядра.

• Путать позитрон с протоном, поскольку оба имеют положительный заряд. Однако позитрон по массе равен электрону, а протон гораздо тяжелее; это разные частицы. Проверка: сравните не только заряд, но и массовое число, указанное в записи частицы.

• Учитывать в уравнении только массовые числа или только заряды. Так можно получить внешне правдоподобный вариант, который нарушает другой закон сохранения. После записи реакции отдельно сложите значения A и Z слева и справа: обе пары сумм должны совпасть.

• Считать, что после испускания позитрона заряд дочернего ядра увеличивается. Позитрон положителен, но он уносит заряд из ядра; внутри протон превращается в нейтрон. Проверка: в уравнении заряд дочернего ядра должен быть на единицу меньше, а массовое число — прежним.

Связь с другими темами

Для чтения ядерных уравнений нужны обозначения изотопов: верхний индекс показывает массовое число, нижний — зарядовое. Также нужно знать, из каких частиц состоит ядро, и уметь применять законы сохранения массового числа и электрического заряда. Эти умения пригодятся при изучении радиоактивного распада и других ядерных реакций. Они помогают понять, как получают радиоизотопы и почему их излучение можно использовать для обнаружения и исследования вещества.

Что запомнить

• Искусственную радиоактивность вызывают ядерной реакцией.
• Продукт ядерной реакции может оказаться нестабильным.
• Облучение и последующий радиоактивный распад — разные процессы.
• В ядерных реакциях сохраняются массовое число и электрический заряд.
• Позитрон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.
• При испускании позитрона заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется.