"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Радиоактивное превращение — самопроизвольное изменение атомного ядра, при котором испускаются частицы или излучение. В результате может возникнуть ядро другого химического элемента или изотопа. Главные виды превращений — альфа- и бета-распад, а гамма-излучение связано с переходом ядра к меньшей энергии. Чтобы определить продукт распада, учитывают изменения массового и зарядового чисел и проверяют сохранение этих величин в ядерном уравнении.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Радиоактивное превращение — самопроизвольное изменение атомного ядра, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. Самопроизвольное означает, что превращение происходит без внешнего воздействия, которое запускало бы его. Это понятие помогает описать, почему нестабильное ядро со временем может стать ядром другого элемента или изотопа.
Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы, то есть ядра атома гелия. В обозначении ⁴₂He верхнее число 4 показывает число нуклонов, а нижнее число 2 — число протонов. Зная состав этой частицы, можно определить, насколько изменятся характеристики исходного ядра.
Бета-распад — превращение ядра с испусканием электрона; при этом один из нейтронов ядра превращается в протон. Электрон, возникающий при таком процессе, обозначают ⁰₋₁e. Определение нужно, чтобы не путать изменение заряда ядра с изменением общего числа частиц в нём.
Гамма-излучение — электромагнитное излучение, испускаемое ядром при переходе из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией. Возбуждённое ядро обладает избытком энергии, который уносит гамма-квант. Это понятие объясняет, почему ядро может излучить энергию, не изменив числа протонов и нуклонов.
При радиоактивном превращении исходное ядро становится ядром другого элемента или изотопа, потому что меняется его состав или энергетическое состояние. Элемент определяется количеством протонов, а изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов. Поэтому изменение числа протонов означает смену элемента, а изменение числа нейтронов при том же числе протонов — смену изотопа. В обоих случаях свойства ядра уже не совпадают с исходными.
При альфа-распаде ядро испускает частицу, в которой находятся два протона и два нейтрона. Эти нуклоны покидают исходное ядро вместе, поэтому массовое число A уменьшается на 4. Поскольку из ядра уходят два протона, его зарядовое число Z уменьшается на 2. По новому значению Z находят элемент, образовавшийся после распада.
При бета-распаде один нейтрон превращается в протон, и ядро испускает электрон. До и после превращения в ядре остаётся то же общее число нуклонов: вместо одного нейтрона появляется один протон, поэтому A не меняется. Протонов становится на один больше, следовательно, Z увеличивается на 1. Электрон в уравнении записывают с массовым числом 0 и зарядовым числом −1: так баланс зарядов сохраняется.
Ядерные уравнения составляют с учётом сохранения массового числа и электрического заряда. Это значит, что сумма чисел A у всех частиц слева должна равняться сумме чисел A справа; такое же равенство должно выполняться для чисел Z. Например, при альфа-распаде справа обязательно учитывают A = 4 и Z = 2 у альфа-частицы. Эти правила позволяют вычислить неизвестное ядро, даже если его символ сначала не известен.
Гамма-квант уносит избыток энергии, когда ядро переходит из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией. Он не содержит нуклонов и не меняет количество протонов, поэтому массовое и зарядовое числа остаются прежними. Гамма-излучение может испускаться после альфа- или бета-распада, если образовавшееся ядро оказалось возбуждённым. Тогда в уравнении указывают и новое ядро, и гамма-квант.
| Свойство | Альфа-излучение | Бета-излучение | Гамма-излучение |
|---|---|---|---|
| Что испускается | Ядро гелия ⁴₂He | Электрон ⁰₋₁e | Гамма-квант γ |
| Изменение массового числа ядра | Уменьшается на 4 | Не меняется | Не меняется |
| Изменение зарядового числа ядра | Уменьшается на 2 | Увеличивается на 1 | Не меняется |
| Природа излучения | Поток ядер гелия | Поток электронов | Электромагнитное излучение |
| Ионизирующая способность и проникающая способность | Ионизирующая способность высокая, проникающая низкая | Обе способности промежуточные | Ионизирующая способность ниже, проникающая высокая |
Сначала смотрите, какая частица испускается: по ней проще всего определить вид распада. Затем сравните изменения A и Z, чтобы установить, как меняется ядро. Сведения о способности ионизировать вещества и проникать через них помогают сопоставить физические свойства излучений.
Условие. Запишите уравнение альфа-распада ядра урана-238 и определите образовавшееся ядро. Для урана Z = 92. В уравнении должны сохраниться суммы массовых и зарядовых чисел.
Ответ: образуется ядро тория-234, уравнение распада: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He.
Условие. Ядро углерода-14 испускает электрон. Требуется записать уравнение и назвать дочерний элемент, то есть элемент, ядро которого образуется при распаде. Для углерода Z = 6.
Ответ: образуется азот-14; уравнение: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.
Условие. Ядро полония-218 сначала претерпевает альфа-распад, затем бета-распад. Определите массовое и зарядовое числа конечного ядра и его элемент. У полония Z = 84.
Ответ: конечное ядро — висмут-214, A = 214, Z = 83.
При альфа-распаде иногда уменьшают Z только на 1, потому что забывают, что альфа-частица содержит два протона. Тогда в уравнении нарушается баланс зарядов. Проверьте число протонов в испускаемой частице: у ядра гелия их два, значит, Z дочернего ядра меньше на 2.
При бета-распаде ошибочно изменяют A, хотя нейтрон заменяется протоном и общее число нуклонов сохраняется. Такое заблуждение возникает, если считать испущенный электрон нуклоном ядра. Для самопроверки сравните число протонов и нейтронов до и после: один нуклон заменился другим, поэтому A остаётся прежним.
Можно правильно применить правило распада, но неверно записать символ дочернего ядра. Причина — пропуск проверки зарядового числа или путаница между номером элемента и массовым числом. Сложите A и Z отдельно по обе стороны уравнения, а затем убедитесь по таблице элементов, что символ соответствует полученному Z.
Гамма-излучение иногда принимают за поток заряженных частиц или считают, что оно меняет состав ядра. Это смешивает перенос энергии с изменением числа протонов и нейтронов. У гамма-кванта нет нуклонов и электрического заряда, поэтому при его испускании A и Z сохраняются; меняется только энергия ядра.
Для описания распада нужны обозначения атомного ядра через массовое число A и зарядовое число Z, а также знания о протонах и нейтронах. Составляя уравнения, применяют законы сохранения числа нуклонов и электрического заряда. Эти же правила помогают разбирать ядерные реакции, в которых ядра взаимодействуют и превращаются. Понимание распада также необходимо при изучении радиоактивных изотопов и их применений.
Почему после радиоактивного распада может образоваться атом другого химического элемента?
Химический элемент определяется числом протонов в ядре, то есть зарядовым числом Z. При альфа-распаде оно уменьшается на 2, а при бета-распаде увеличивается на 1, поэтому ядро может стать ядром другого элемента.
Как определить ядро, которое получится при альфа-распаде?
У исходного ядра нужно уменьшить массовое число A на 4, а зарядовое число Z — на 2. По получившемуся Z находят химический элемент и записывают его символ.
Почему при бета-распаде массовое число не меняется?
При бета-распаде нейтрон превращается в протон, а общее число нуклонов — протонов и нейтронов — остаётся прежним. Поэтому A не меняется, хотя Z увеличивается на 1.
Меняет ли гамма-излучение зарядовое число ядра?
Нет. Гамма-квант переносит энергию, но не содержит протонов или нейтронов, поэтому зарядовое и массовое числа ядра не изменяются.
Как проверить, правильно ли составлено уравнение радиоактивного распада?
Сложите массовые числа отдельно слева и справа уравнения, затем так же сравните суммы зарядовых чисел. Если обе суммы совпадают и символы ядер соответствуют их зарядовым числам, уравнение составлено правильно.
§ 100. Радиоактивные превращения
