Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием излучения. Самопроизвольным называют процесс, который не вызывается внешним воздействием: ядру не требуется специальный «толчок» снаружи. Это понятие помогает описывать изменения атомных ядер и связанные с ними излучения.

α-излучение — поток ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов и имеет заряд +2. Такие частицы сравнительно сильно ионизируют вещество, то есть выбивают из атомов электроны и образуют заряженные частицы. По составу α-частицы можно определить, как изменилось ядро после их испускания.

β-излучение — поток быстрых электронов, возникающих при превращении ядер. Электрон имеет заряд −1 и намного легче ядра гелия, поэтому β-частицы отличаются от α-частиц и составом, и знаком заряда. Это различие важно учитывать, когда сравнивают действие излучений и изменение атомного номера.

γ-излучение — электромагнитное излучение, испускаемое ядром. Оно не состоит из заряженных частиц и не имеет электрического заряда, но может проникать сквозь вещество глубже, чем α- и β-излучение. Это понятие объясняет, почему γ-излучение нужно учитывать при оценке защиты от радиации.

Как это устроено

В ядре действуют силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе. У некоторых сочетаний частиц равновесие получается неустойчивым: ядро может перейти к более устойчивому состоянию, испустив частицу или порцию энергии. Поэтому радиоактивность возникает не из-за внешнего воздействия на атом, а из-за свойств самого ядра.

Виды излучения различаются тем, что именно покидает ядро. При α-распаде вылетает тяжёлая заряженная частица из двух протонов и двух нейтронов; она часто сталкивается с атомами и сильно их ионизирует, но быстро теряет энергию. При β⁻-распаде в ядре нейтрон превращается в протон, а наружу вылетает быстрый электрон. γ-излучение представляет собой электромагнитную волну: она не несёт заряда, реже взаимодействует с веществом и потому способна проникать глубже. Ионизирующая способность показывает, насколько активно излучение образует заряженные частицы в веществе, а проникающая — насколько глубоко оно проходит.

Нельзя точно предсказать, когда распадётся одно выбранное ядро: для него распад случаен. Но в образце находятся огромные количества ядер, и у каждого есть вероятность распасться за определённое время. Поэтому для большого числа ядер случайные события складываются в устойчивую статистическую закономерность: количество нераспавшихся ядер постепенно уменьшается. Такая закономерность позволяет рассчитывать, сколько ядер в среднем останется в образце.

Период полураспада T — время, за которое в среднем распадается половина имевшихся ядер. Через один такой период остаётся половина начального количества, через два — четверть, через три — одна восьмая. Для любого времени используют формулу N = N₀ · 2^(−t/T), где N₀ — начальное число ядер, t — прошедшее время, а N — ожидаемое число нераспавшихся ядер. Формула описывает среднее для большого числа ядер, а не точное предсказание для каждого отдельного атома.

При α-распаде из ядра уходят два протона и два нейтрона, поэтому массовое число уменьшается на четыре, а зарядовое число — на два. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон и электрон: электрон покидает ядро, зарядовое число увеличивается на один, а массовое остаётся прежним. При γ-излучении ядро испускает квант электромагнитного излучения и теряет энергию, но число протонов и нейтронов не меняется. Различия следуют из того, какие частицы или энергия испускаются в каждом случае.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Таблица помогает сопоставить природу излучений с их зарядом и воздействием на вещество. Сначала определите, что испускается, затем проследите, меняется ли ядро и насколько легко излучение задержать. Ионизирующая способность и проникающая способность — разные свойства: сильнее ионизирующее излучение не обязательно проникает глубже.

Разбор задач

Задача 1. Ядро испустило α-частицу. Как изменятся массовое число и зарядовое число дочернего ядра? Чтобы ответить, нужно сравнить состав α-частицы с составом исходного ядра. В α-частице находятся два протона и два нейтрона, то есть всего четыре нуклона. Следовательно, из ядра уходят четыре нуклона, в том числе два протона.

1. Массовое число A равно общему числу протонов и нейтронов, поэтому оно уменьшается на 4.
2. Зарядовое число Z равно числу протонов, поэтому оно уменьшается на 2.
3. Проверяем, что изменения относятся к разным величинам: массовое число считает все нуклоны, а зарядовое — только протоны.

Ответ: массовое число дочернего ядра уменьшается на 4, зарядовое — на 2.

Задача 2. Период полураспада вещества равен 6 суткам. Какая доля исходного числа ядер останется через 18 суток? Сначала сравним прошедшее время с периодом полураспада, чтобы найти число периодов. Затем применим правило: после каждого периода остаётся половина ядер. Дробь от исходного количества удобно получить последовательным делением на два.

1. Находим число периодов: 18 / 6 = 3.
2. После первого периода остаётся ½ исходного количества, после второго — ¼.
3. После третьего периода остаётся ⅛, поскольку ¼ делится на два.

Ответ: через 18 суток в среднем останется ⅛ исходного числа ядер.

Задача 3. В образце было 800 радиоактивных ядер. Период полураспада равен 4 часам. Сколько ядер останется через 10 часов? Здесь время не кратно периоду: за 10 часов проходит два полных периода и ещё половина периода. Поэтому простое целое число последовательных делений на два не даст нужного результата, и используем формулу распада.

1. Записываем данные: N₀ = 800, T = 4 ч, t = 10 ч.
2. Находим долю оставшихся ядер: 2^(−t/T) = 2^(−10/4) = 2^(−2,5) ≈ 0,177.
3. Умножаем долю на начальное количество: N ≈ 800 · 0,177 ≈ 141.
4. Округляем результат до целого, помня, что формула задаёт среднее ожидаемое количество, а не точное число для конкретного небольшого образца.

Ответ: в среднем останется около 141 ядра.

Типичные ошибки

Ошибка: считать период полураспада временем распада всех ядер. Путают название периода с полным временем существования образца, хотя за один период в среднем распадается только половина исходных ядер. Проверка проста: после двух периодов должно оставаться около четверти начального количества, а не ноль.

Ошибка: путать проникающую и ионизирующую способности. Иногда считают, что излучение, которое сильнее действует на атомы, должно и глубже проникать. Но α-излучение сильно ионизирует и быстро задерживается, а γ-излучение слабее ионизирует, но проходит глубже. Проверяйте себя по двум отдельным свойствам, а не по одному общему впечатлению о «силе» излучения.

Ошибка: при α-распаде уменьшать зарядовое число на четыре. Число 4 относится к числу нуклонов в α-частице, поэтому на 4 уменьшается массовое число. Зарядовое число считает только протоны, которых в α-частице два; проверка по составу частицы даёт уменьшение Z на 2.

Ошибка: считать, что γ-излучение меняет число протонов или нуклонов. Такое предположение возникает из-за того, что ядро испускает излучение и теряет энергию. Однако γ-квант не является протоном или нейтроном: ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Чтобы проверить вывод, спросите, покинула ли ядро частица, меняющая его состав; при γ-излучении этого не происходит.

Связь с другими темами

Для понимания радиоактивности нужно знать, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны находятся вне ядра. Различение этих частиц помогает объяснить заряд излучений и изменения ядра при распаде. Понятия электрического заряда и электромагнитной волны раскрывают свойства β- и γ-излучения. Эти знания пригодятся при изучении ядерных реакций, применения радиации и правил радиационной безопасности.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• α-излучение представляет собой поток ядер гелия.
• β-излучение представляет собой поток быстрых электронов.
• γ-излучение — электромагнитное излучение без электрического заряда.
• За один период полураспада в среднем распадается половина исходных ядер.
• При α- и β-распаде состав ядра меняется, а при γ-излучении — нет.