§ 65. Естественная радиоактивность

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или излучения. Самопроизвольность означает, что для начала процесса не нужны нагревание, свет или облучение. Понятие помогает отличать радиоактивность от искусственно вызванных ядерных превращений.

Радиоактивный распад — превращение одного ядра в другое с испусканием радиоактивного излучения. При этом меняются состав и энергия ядра, а иногда и химический элемент. Так описывают конкретное ядерное превращение с помощью уравнения.

Альфа-частица — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Её обозначают ⁴₂He; заряд частицы равен +2e. Такое представление позволяет сразу определить, на сколько изменятся массовое и зарядовое числа исходного ядра.

Бета-частица — электрон, испускаемый ядром при бета-распаде. В записи β⁻-распада электрон обозначают ⁰₋₁e, хотя он не находился в электронной оболочке атома. Это обозначение нужно для соблюдения закона сохранения зарядового числа.

Гамма-излучение — высокочастотное электромагнитное излучение, испускаемое атомным ядром. Оно не имеет электрического заряда и не изменяет состав ядра. Обычно гамма-квант уносит избыток энергии возбужденного ядра.

Как это устроено

В 1896 году Анри Беккерель изучал соли урана и заметил, что они действуют на фотопластинку даже тогда, когда были защищены от света. Значит, соли испускали невидимое излучение самостоятельно, без предварительного освещения. Это наблюдение привело к открытию естественной радиоактивности и показало, что источник явления находится внутри атомов урана.

Радиоактивность связана с нестабильностью атомного ядра: в некоторых сочетаниях протонов и нейтронов ядерные силы не обеспечивают устойчивое состояние. При переходе к более устойчивому состоянию ядро меняется, а разность энергий уносится частицей или гамма-излучением. Поэтому радиоактивный распад одновременно является превращением ядра и выделением энергии.

Альфа-, бета- и гамма-излучения имеют разную природу. Альфа-поток состоит из тяжелых положительно заряженных ядер гелия, бета-поток — из легких электронов, а гамма-поток — из электромагнитных волн. Различие состава объясняет, почему эти виды излучения по-разному взаимодействуют с веществом и полями.

Проникающая способность определяется тем, насколько легко излучение взаимодействует с атомами вещества и теряет энергию. Альфа-частицы сильно ионизируют среду, поэтому быстро замедляются и задерживаются листом бумаги или верхним слоем кожи. Бета-частицы проходят дальше, а гамма-излучение взаимодействует слабее и потому требует толстого слоя плотного материала для ослабления.

Заряженные частицы испытывают действие электрического и магнитного полей, поэтому альфа- и бета-пучки отклоняются. Положительная альфа-частица движется к отрицательной пластине, а отрицательная бета-частица — к положительной; из-за малой массы электрон отклоняется сильнее. Гамма-излучение не имеет электрического заряда, поэтому в таких полях не отклоняется.

Отдельное ядро распадается в случайный момент: физика не позволяет заранее назвать время распада именно этого ядра. Однако у большого числа одинаковых ядер доля распавшихся за определенный промежуток подчиняется устойчивой статистической закономерности. Поэтому радиоактивность обнаруживают счетчиками и исследуют по интенсивности излучения, даже если судьба отдельного ядра непредсказуема.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Таблицу удобно читать по двум направлениям. По строке можно сравнить одно свойство трех излучений, а по столбцу — составить целостное представление об одном виде. При решении задачи сначала определите заряд и природу излучения, а затем используйте его поведение в поле или способность проходить через вещество.

Разбор задач

1. Альфа-распад урана-238

Условие: ядро урана-238 испустило альфа-частицу. Нужно определить массовое и зарядовое числа образовавшегося ядра. Для урана исходные числа равны A = 238 и Z = 92.

1. Альфа-частица — ядро гелия ⁴₂He, поэтому она уносит 4 нуклона и 2 протона.
2. Массовое число дочернего ядра: A = 238 − 4 = 234.
3. Зарядовое число дочернего ядра: Z = 92 − 2 = 90.
4. Элемент с Z = 90 — торий, поэтому реакцию можно записать так: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He.

Ответ: образовалось ядро тория-234; его массовое число равно 234, а зарядовое — 90. Проверка выполняется сохранением суммы A и суммы Z по обе стороны уравнения.

2. Бета-минус-распад углерода-14

Условие: ядро углерода-14 испускает электрон при β⁻-распаде. Требуется записать реакцию и определить дочернее ядро. У углерода A = 14 и Z = 6.

1. При β⁻-распаде электрон испускается ядром, а массовое число не меняется: A = 14.
2. Зарядовое число увеличивается на единицу: Z = 6 + 1 = 7.
3. Элемент с Z = 7 — азот, значит, дочернее ядро — азот-14.
4. Уравнение имеет вид: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Сумма зарядовых чисел справа равна 7 − 1 = 6, как и слева.

Ответ: образуется ядро азота-14. Массовое число сохраняется, а зарядовое число увеличивается с 6 до 7.

3. Отклонение пучка в электрическом поле

Условие: пучок радиоактивного излучения отклоняется к положительно заряженной пластине. Нужно определить вид излучения и назвать излучение, которое не отклонится.

1. К положительной пластине притягиваются отрицательно заряженные частицы.
2. Из трех видов отрицательный заряд имеет бета-излучение, состоящее из электронов.
3. Альфа-излучение отклонялось бы к отрицательной пластине, поскольку альфа-частицы положительны.
4. Гамма-излучение не отклонится, так как является незаряженной электромагнитной волной.

Ответ: наблюдается бета-излучение; к положительной пластине его притягивает отрицательный заряд электронов. Не отклонится гамма-излучение.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что распад вызывается нагреванием или облучением. Так думают, потому что многие физические процессы зависят от внешней энергии, но естественная радиоактивность определяется неустойчивостью ядра. Проверка: спросите себя, указано ли в условии внешнее воздействие; для естественного распада оно не требуется.

Ошибка 2. Путать бета-частицу с электроном оболочки. Электрон при β⁻-распаде рождается в ядерном превращении, поэтому его записывают в ядерном уравнении. Проверка: если электрон обозначен как продукт распада, одновременно увеличьте зарядовое число дочернего ядра на 1.

Ошибка 3. Уменьшать зарядовое число при альфа-распаде на 1. Альфа-частица содержит два протона, поэтому ядро теряет сразу два положительных заряда. Проверка: используйте состав ⁴₂He и изменяйте числа на 4 и 2 соответственно.

Ошибка 4. Считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. Гамма-кванты являются электромагнитным излучением, поэтому поле не отклоняет их как заряженный пучок. Проверка: если речь идет о гамма-излучении, заряд в таблице должен быть равен нулю, а направление отклонения отсутствовать.

Связь с другими темами

Для изучения радиоактивности нужны знания о составе атомного ядра, массовом и зарядовом числах, а также о различии ядра и электронной оболочки. Позже эти сведения помогут разбирать строение ядра, ядерные реакции и закон радиоактивного распада. Сравнение проникающей способности излучений понадобится при изучении их применений, дозиметрии и способов защиты.

Что запомнить

• Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — ядро гелия с зарядом +2e.
• Бета-частица при бета-минус-распаде — электрон с зарядом −e.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение без электрического заряда.
• Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются природой, проникающей способностью и поведением в полях.
• Отдельный распад случаен, но радиоактивное излучение вещества можно обнаружить.