§ 99. Альфа-, бета- и гамма-излучения

Определения и обозначения

Альфа-излучение — поток ядер гелия-4, каждое из которых содержит два протона и два нейтрона; обозначение частицы — α или ⁴₂He. Такая запись сразу показывает состав частицы и помогает учитывать, насколько изменятся числа в исходном ядре при распаде. Альфа-частицы имеют положительный заряд.

Бета-излучение — поток электронов, испускаемых при превращении нейтрона в протон в ядре; обозначается β⁻ или ⁰₋₁e. Верхний индекс 0 указывает, что у электрона нет нуклонов, а нижний индекс −1 — его электрический заряд в единицах элементарного заряда. По этой записи удобно проверять сохранение заряда в ядерном уравнении.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение очень высокой частоты, испускаемое возбуждённым ядром; обозначается γ. В отличие от α- и β-частиц, гамма-квант не имеет электрического заряда и не является набором нуклонов. Обозначение γ помогает отличить переход ядра по энергии от распада, который меняет его состав.

Как это устроено

При альфа-распаде ядро испускает частицу ⁴₂He, то есть одновременно теряет два протона и два нейтрона. Поэтому зарядовое число Z, равное числу протонов, становится меньше на 2, а массовое число A, равное числу всех нуклонов, уменьшается на 4. Например, в записи ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He обе части уравнения содержат одинаковое общее число протонов и нуклонов. Именно это позволяет проверить, правильно ли составлено уравнение.

При бета-минус-распаде один из нейтронов превращается в протон и электрон, а электрон покидает ядро. Число нуклонов не меняется: вместо одного нейтрона в ядре оказывается один протон, поэтому A остаётся прежним. Протонов становится на один больше, так что Z увеличивается на 1; схематически распад записывают так: ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁺¹Y + ⁰₋₁e. Электрон возникает при превращении нейтрона, а не хранится в ядре до распада.

Гамма-квант испускается, когда возбуждённое ядро переходит в состояние с меньшей энергией. Возбуждённое состояние означает, что ядро обладает избытком энергии; при переходе этот избыток уносит γ-квант. Поскольку протоны и нейтроны не покидают ядро и не превращаются друг в друга, его массовое и зарядовое числа остаются прежними. Поэтому гамма-излучение может сопровождать другой распад, когда образовавшееся ядро отдаёт избыток энергии.

Различия в заряде и массе частиц определяют, как излучение взаимодействует с веществом. Заряженные α-частицы активно взаимодействуют с атомами среды и вызывают ионизацию — образование заряженных частиц из нейтральных атомов; из-за интенсивной потери энергии они быстро поглощаются. β-частицы обычно проходят дальше, а γ-кванты взаимодействуют с веществом иначе и поглощаются слабее, поэтому обладают наибольшей проникающей способностью. Сильная ионизация не означает, что излучение проникает глубже.

В электрическом и магнитном полях заряженные частицы испытывают действие силы, направление которой зависит от знака заряда. Поэтому α-частицы с положительным зарядом и β⁻-частицы с отрицательным отклоняются в противоположные стороны, а γ-кванты без заряда идут без отклонения. Бета-частицы отклоняются сильнее: при сопоставимом по модулю заряде их масса гораздо меньше, чем масса альфа-частиц. Так поведение в поле помогает отличить заряженные излучения друг от друга.

Сравнение альфа-, бета- и гамма-излучения

Таблица сводит вместе устройство излучений и последствия распада для ядра. При чтении строк об изменении A и Z рассматривай значения для одного акта распада, а не для всей цепочки превращений. Сопоставление ионизирующей и проникающей способности особенно важно: эти характеристики не совпадают.

Разбор задач

1. Альфа-распад урана-238

Условие. Ядро ²³⁸₉₂U испытало альфа-распад. Нужно записать уравнение и определить массовое и зарядовое числа дочернего ядра. При α-распаде испускается ядро ⁴₂He, поэтому числа исходного ядра уменьшаются на соответствующие значения этой частицы.

1. Вычитаем 4 из массового числа: 238 − 4 = 234. Это число нуклонов в дочернем ядре.
2. Вычитаем 2 из зарядового числа: 92 − 2 = 90. Порядковому номеру 90 соответствует торий, Th.
3. Записываем уравнение: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Проверяем: массовые числа дают 234 + 4 = 238, а зарядовые — 90 + 2 = 92.

Ответ: дочернее ядро — ²³⁴₉₀Th, его массовое число 234, зарядовое — 90. Проверка сумм подтверждает, что обе величины сохраняются в уравнении.

2. Бета-минус-распад углерода-14

Условие. Ядро ¹⁴₆C испытало β⁻-распад. Требуется записать уравнение и определить образовавшийся химический элемент. Поскольку нейтрон превращается в протон, число нуклонов не меняется, а зарядовое число возрастает на единицу.

1. Оставляем массовое число равным 14. Увеличиваем зарядовое число: 6 + 1 = 7.
2. По таблице химических элементов определяем элемент с номером 7: это азот, N.
3. Записываем уравнение: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Проверяем массовые числа: 14 = 14 + 0; зарядовые: 6 = 7 + (−1).

Ответ: образуется азот-14, ¹⁴₇N. Электрон в правой части нужен, чтобы зарядовое число сохранялось.

3. Последовательные распады америция-241

Условие. Ядро ²⁴¹₉₅Am сначала испытало α-распад, а затем β⁻-распад. Нужно найти итоговое ядро и изменения его чисел относительно исходного. Здесь важно выполнить два правила по очереди, а не применять их одновременно.

1. После α-распада массовое число равно 241 − 4 = 237, зарядовое — 95 − 2 = 93. Ядру с Z = 93 соответствует нептуний: ²⁴¹₉₅Am → ²³⁷₉₃Np + ⁴₂He.
2. При последующем β⁻-распаде A остаётся 237, а Z увеличивается: 93 + 1 = 94. Элемент с номером 94 — плутоний, Pu.
3. Итоговое ядро — ²³⁷₉₄Pu. Если объединить изменения, массовое число уменьшилось на 4, а зарядовое относительно исходного стало меньше на 1: −2 при α-распаде и +1 при β⁻-распаде.

Ответ: итоговое ядро — ²³⁷₉₄Pu. Массовое число равно 237, зарядовое — 94; при втором распаде массовое число не менялось.

Типичные ошибки

Считать β⁻-частицу электроном, который находился внутри ядра до распада, — неверно. Так думают, потому что электрон появляется в правой части уравнения, рядом с дочерним ядром. Проверь себя: в механизме распада нейтрон превращается в протон и электрон, а не отдаёт заранее запасённый электрон.

Уменьшать массовое число при β⁻-распаде — значит забыть, что A считает все нуклоны. Ошибка возникает из-за того, что состав ядра действительно меняется, но один нейтрон только превращается в протон. Для проверки проследи за общим числом протонов и нейтронов: оно остаётся тем же.

Путать проникающую и ионизирующую способности — значит считать их одной характеристикой. Сильная ионизация α-частицами часто ошибочно воспринимается как признак самого глубокого проникновения. Сверь обе величины отдельно: α сильнее ионизирует, но быстрее поглощается; γ проникает дальше.

Считать, что γ-излучение меняет массовое или зарядовое число, — ошибка приравнивает потерю энергии к потере частиц. Её допускают, потому что ядро после испускания кванта действительно оказывается в другом энергетическом состоянии. Проверь, изменились ли число нуклонов и число протонов: при γ-излучении оба остаются прежними.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать распады, нужно знать состав атомного ядра и понимать запись нуклида ᴬ_ZX: A показывает число нуклонов, Z — число протонов. Также нужны законы сохранения электрического заряда и массового числа, по которым проверяют ядерные уравнения. Эти правила связывают тему с радиоактивностью и другими ядерными реакциями.

Знание свойств α-, β- и γ-излучений помогает оценивать их воздействие и выбирать способы защиты. Оно пригодится при изучении применения радиоактивных изотопов в науке и технике. Сравнение излучений объясняет, почему для разных источников нужны разные меры предосторожности.

Что запомнить

• α-частица — ядро гелия-4: ⁴₂He.
• При α-распаде массовое число уменьшается на 4, а зарядовое — на 2.
• β⁻-частица — электрон, возникающий при превращении нейтрона в протон.
• При β⁻-распаде массовое число сохраняется, а зарядовое увеличивается на 1.
• γ-излучение — электромагнитное излучение; состав ядра при его испускании не меняется.
• α-излучение сильнее ионизирует вещество, а γ-излучение обладает наибольшей проникающей способностью.