§ 57. Альфа- и бета-распады. Правила смещения

Определения и обозначения

Альфа-распад — самопроизвольное превращение ядра с испусканием альфа-частицы. Такое превращение происходит у некоторых тяжёлых нестабильных ядер, которым энергетически выгодно стать более устойчивыми. После распада образуется новое ядро и другой химический элемент.

Бета-распад — превращение ядра, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона. Число частиц в ядре не меняется, но возрастает число протонов. Поэтому меняется химический элемент, хотя массовое число остаётся прежним.

Альфа-частица — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Её обозначают ⁴₂He или α. Знание состава частицы помогает понять, почему при альфа-распаде A уменьшается на 4, а Z — на 2.

Правила смещения — правила определения массового числа и зарядового числа дочернего ядра после радиоактивного распада. Массовое число A показывает количество всех нуклонов, а зарядовое число Z — количество протонов. По новому Z находят химический элемент.

Как это устроено

Тяжёлое нестабильное ядро может испустить альфа-частицу, потому что такое превращение уменьшает его размеры и заряд. Альфа-частица прочно связана внутри ядра и уносит сразу два протона и два нейтрона. Оставшееся ядро получает другой состав и часто оказывается более устойчивым.

При альфа-распаде из исходного ядра удаляются четыре нуклона, поэтому массовое число уменьшается на 4. Два удалённых протона уменьшают зарядовое число на 2. Если исходное ядро имеет обозначение ᴬ_ZX, то схема распада выглядит так: ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He.

При бета-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон. Общее количество нуклонов не меняется: один нейтрон заменяется одним протоном, поэтому A сохраняется. Число протонов увеличивается на 1, а испускаемый электрон имеет заряд −1 и позволяет сохранить общий электрический заряд.

Уравнения распадов записывают с учётом законов сохранения. В альфа-уравнении суммы массовых чисел слева и справа одинаковы, как и суммы зарядовых чисел. Для бета-распада используют запись ᴬ_ZX → ᴬ_Z₊₁Y + ⁰₋₁e: по массовому числу получается A = A + 0, а по заряду Z = (Z + 1) − 1.

Чтобы определить новый элемент, сначала вычисляют дочерние A и Z, а затем обращаются к таблице элементов. Название определяется только зарядовым числом Z, потому что оно равно числу протонов в ядре. Массовое число нужно для различения изотопов одного элемента.

Сравнение альфа- и бета-распадов

Таблицу удобно использовать как краткий алгоритм: сначала определите вид распада, затем измените A и Z по соответствующей строке. После этого найдите элемент по новому зарядовому числу. Последняя строка помогает проверить запись уравнения.

Разбор задач

Задача 1. Альфа-распад радия-226

Требуется записать уравнение альфа-распада радия-226 и определить образовавшийся элемент. У радия зарядовое число 88, а массовое число равно 226. При альфа-распаде нужно уменьшить оба числа по правилам смещения.

1. Записываем исходное ядро: ²²⁶₈₈Ra.
2. Вычисляем числа дочернего ядра: A = 226 − 4 = 222, Z = 88 − 2 = 86.
3. Элемент с Z = 86 — радон Rn, поэтому уравнение имеет вид: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He.

Ответ: образуется радон-222, испускается альфа-частица.

Задача 2. Неизвестное ядро при бета-распаде углерода-14

Рассмотрим бета-распад углерода-14. У углерода Z = 6, а A = 14. Нужно найти дочернее ядро, помня, что при таком распаде A сохраняется, а Z увеличивается на 1.

1. Записываем исходное ядро: ¹⁴₆C.
2. Оставляем массовое число прежним: A = 14, и увеличиваем зарядовое число: Z = 6 + 1 = 7.
3. Элемент с Z = 7 — азот N, поэтому ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.

Ответ: неизвестное ядро — азот-14.

Задача 3. Цепочка распадов

Пусть ядро ²³⁸₉₂U претерпевает два альфа-распада и один бета-распад. Нужно найти конечное ядро и число испущенных частиц. Удобно выполнять превращения последовательно, каждый раз изменяя A и Z.

1. После первого альфа-распада: A = 238 − 4 = 234, Z = 92 − 2 = 90.
2. После второго альфа-распада: A = 234 − 4 = 230, Z = 90 − 2 = 88.
3. После бета-распада: A = 230, Z = 88 + 1 = 89. Элемент с Z = 89 — актиний Ac.
4. Проверяем: испущено две альфа-частицы и один электрон; A уменьшилось на 8, а итоговое Z равно 92 − 4 + 1 = 89.

Ответ: конечное ядро — ²³⁰₈₉Ac; испущены две альфа-частицы и одна бета-частица.

Типичные ошибки

При альфа-распаде иногда уменьшают зарядовое число на 4. Так путают число всех нуклонов A с числом протонов Z, хотя альфа-частица содержит только два протона. Проверка: должно выполняться Z = Z₁ + 2 в правой части уравнения.

При бета-распаде некоторые изменяют массовое число. Ошибка возникает из-за того, что из ядра вылетает электрон, но электрон не является нуклоном. Проверьте, что один нейтрон просто заменился протоном и A осталось прежним.

Электрон иногда записывают как частицу, входящую в состав дочернего ядра. На самом деле он испускается во время превращения нейтрона и покидает ядро. Для проверки у электрона должны быть показатели ⁰₋₁e, а зарядовое число дочернего ядра должно быть на единицу больше.

Неправильно определять новый элемент только по массовому числу. Одинаковое A могут иметь ядра разных элементов, а название задаётся числом протонов Z. Сначала найдите новое Z, затем сопоставьте его с таблицей химических элементов.

Связь с другими темами

Для понимания распадов нужны знания о строении атомного ядра, протонном и нейтронном числах, а также о массовом и зарядовом числах. Тема связана с радиоактивностью, законом сохранения электрического заряда и ядерными реакциями. Правила смещения помогают разбирать цепочки превращений, задачи на период полураспада и процессы ядерной энергетики.

Что запомнить

• Альфа-частица — ядро гелия из двух протонов и двух нейтронов.
• При альфа-распаде A уменьшается на 4, а Z — на 2.
• При бета-распаде нейтрон превращается в протон и испускается электрон.
• При бета-распаде массовое число не изменяется.
• При бета-распаде зарядовое число увеличивается на 1.
• По новым A и Z можно определить дочерний химический элемент.
• Уравнение распада должно удовлетворять законам сохранения массового и зарядового чисел.