48. Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — способность некоторых нестабильных атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц или излучения. Нестабильным называют ядро, которое может измениться без внешнего воздействия. Это понятие помогает описать, почему одни ядра сохраняются, а другие испускают излучение.

Радиоактивный распад — самопроизвольное превращение нестабильного ядра в другое ядро. В результате меняется состав ядра, а иногда выделяется энергия. Понятие распада нужно, чтобы обозначать сам процесс и определять, какое ядро образуется после него.

Альфа-излучение — поток альфа-частиц, представляющих собой ядра атомов гелия. В каждой такой частице два протона и два нейтрона, поэтому она имеет положительный заряд. Этот состав позволяет понять, как при испускании альфа-частицы меняются числа в обозначении ядра.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, испускаемых при радиоактивном превращении ядра. Электрон имеет отрицательный заряд, но при бета-распаде он возникает в ядерном процессе, а не вылетает из электронной оболочки атома. Знание этого отличия помогает не путать бета-частицу с обычным электроном атома.

Как это устроено

Радиоактивность связана с неустойчивостью некоторых атомных ядер: они могут самопроизвольно изменяться, не получая внешнего воздействия. В ядре действуют силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе, но не для любого их сочетания возможно устойчивое состояние. Если ядро неустойчиво, оно переходит в другое состояние и испускает частицу или излучение. Поэтому нагревание вещества не служит обязательной причиной распада: он происходит из-за свойств самого ядра.

При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу, то есть сразу два протона и два нейтрона. Массовое число A показывает общее число нуклонов, поэтому после потери четырёх нуклонов оно уменьшается на четыре. Зарядовое число Z равно числу протонов; в дочернем ядре их на два меньше, так что Z уменьшается на два. Изменения следуют непосредственно из состава испущенной частицы.

При бета-распаде ядро испускает электрон, а один из его нейтронов превращается в протон. Поскольку нейтрон и протон оба являются нуклонами, общее число нуклонов и массовое число A не меняются. Протонов становится на один больше, поэтому зарядовое число Z увеличивается на единицу. Электрон при этом покидает ядро, а не является частицей, которая заранее находилась в его составе.

Гамма-излучение возникает, когда возбуждённое ядро переходит в состояние с меньшей энергией. Возбуждённым называют ядро, обладающее избытком энергии; оно отдаёт этот избыток в виде электромагнитного излучения. Гамма-квант не состоит из протонов или нейтронов и не имеет электрического заряда, поэтому испускание гамма-излучения не меняет ни A, ни Z. Часто оно сопровождает другие виды распада, если образовавшееся ядро осталось возбуждённым.

Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются составом, проникающей способностью и поведением в электрическом и магнитном полях. Заряженные альфа- и бета-частицы отклоняются в поле, причём их заряды имеют противоположные знаки; гамма-излучение не заряжено и не отклоняется. Альфа-частицы задерживает лист бумаги, бета-излучение проходит дальше, а гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Различия объясняются массой, зарядом и природой этих излучений.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Сначала определите состав и заряд излучения, а затем сравните его действие на ядро и поведение в полях. Для задач на превращения особенно полезна строка об изменениях A и Z: по ней можно составить обозначение дочернего ядра. Проникающая способность показывает, какой материал способен задержать или ослабить излучение.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какой вид излучения задерживается листом бумаги, а какой проходит через него. Условия задачи предлагают сравнить три вида излучения, поэтому нужно воспользоваться их проникающей способностью. Важно различать «проходит через бумагу» и «проходит через любой материал»: последнее неверно.

1. Вспоминаем, что альфа-частицы сравнительно массивны и имеют заряд, поэтому сильно взаимодействуют с веществом.
2. Бумажный лист останавливает альфа-излучение; бета-излучение проходит через бумагу дальше, но может быть задержано тонким металлом.
3. Гамма-излучение проходит через бумагу и обладает наибольшей проникающей способностью, хотя плотные материалы ослабляют его.

Ответ: бумага задерживает альфа-излучение; бета- и гамма-излучение проходят через неё, причём гамма-излучение проникает дальше всего.

Задача 2. Для альфа-распада ядра с массовым числом 238 и зарядовым числом 92 определить числа дочернего ядра. Сначала устанавливаем вид распада: испускается альфа-частица, в которой четыре нуклона и два протона. Значит, нужно отдельно применить правило для массового и зарядового чисел.

1. Записываем исходные значения: A = 238, Z = 92.
2. При альфа-распаде вычитаем из A число 4: 238 − 4 = 234.
3. Из Z вычитаем 2: 92 − 2 = 90. Проверка: дочернее ядро потеряло ровно столько нуклонов и протонов, сколько унесла альфа-частица.

Ответ: массовое число дочернего ядра — 234, зарядовое — 90.

Задача 3. Ядро с массовым числом 14 и зарядовым числом 6 испускает электрон. Требуется определить вид распада и числа дочернего ядра. Испускание электрона указывает на бета-распад, поэтому нельзя вычитать из массового числа число частиц, как при альфа-распаде.

1. Записываем исходные числа: A = 14, Z = 6.
2. При испускании электрона массовое число сохраняется: A = 14.
3. Зарядовое число увеличивается на единицу: Z = 6 + 1 = 7. Сочетание A = 14 и Z = 7 соответствует азоту-14.

Ответ: произошёл бета-распад; дочернее ядро имеет массовое число 14 и зарядовое число 7 (азот-14).

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что радиоактивный распад обязательно вызывается нагреванием или другим внешним воздействием. Так думают, потому что многие физические изменения зависят от условий вокруг тела. Но распад происходит самопроизвольно из-за неустойчивости ядра. Проверьте себя: если в условии сказано, что ядро радиоактивно, не ищите нагревание как обязательную причину превращения.

Нередко путают состав альфа- и бета-излучений: альфа-частицу принимают за электрон или считают, что оба излучения состоят из одинаковых частиц. Это может произойти из-за похожих названий и того, что оба вида связаны с радиоактивным распадом. Альфа-частица — ядро гелия, бета-частица в изучаемом случае — электрон. Перед вычислениями назовите состав частицы и её заряд.

При альфа-распаде иногда вычитают четыре из зарядового числа, хотя на четыре уменьшается массовое число. Ошибка возникает, когда правила для A и Z смешивают. Альфа-частица уносит четыре нуклона, но среди них только два протона. Для проверки отдельно пересчитайте число нуклонов и число протонов: A уменьшается на 4, Z — на 2.

При бета-распаде могут уменьшать массовое число, словно из ядра просто исчезает электрон. Однако электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а общее число нуклонов остаётся прежним. Поэтому A сохраняется, а Z увеличивается на единицу. Проверяйте, чтобы в записи дочернего ядра массовое число совпадало с исходным.

Связь с другими темами

Для изучения радиоактивности нужно знать строение атомного ядра и различать протоны и нейтроны. Массовое число A показывает общее число нуклонов, а зарядовое число Z — число протонов; эти обозначения позволяют проследить, как меняется ядро при распаде. Без них нельзя правильно найти состав дочернего ядра. Позже эти знания понадобятся при изучении ядерных реакций, деления и синтеза ядер, где ядра также превращаются, а также при рассмотрении применения радиоактивных изотопов в науке и технике.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• Альфа-частица — ядро атома гелия.
• Бета-частица — электрон.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение.
• При альфа-распаде массовое число уменьшается на четыре, зарядовое — на два.
• При бета-распаде массовое число сохраняется, зарядовое увеличивается на единицу.