§ 7.14. Искусственная радиоактивность

Определения и обозначения

Искусственная радиоактивность — радиоактивное превращение ядер, полученных человеком в ядерной реакции. Иными словами, сначала ядро создают или изменяют облучением, а затем оно распадается само. Это понятие отличает рукотворный источник радиоактивности от природного.

Радиоактивный нуклид — разновидность атомных ядер с определёнными числом протонов и нейтронов, способная самопроизвольно распадаться. Нуклиды одного элемента имеют одинаковое зарядовое число, но могут различаться числом нейтронов. Термин нужен, чтобы точно называть конкретный вид ядер, например ³⁰P.

Позитрон — античастица электрона с массой электрона и положительным элементарным зарядом. Его обозначают e⁺ и обнаруживают среди продуктов β⁺-распада. Знак «плюс» принципиален: позитрон нельзя путать с электроном, который имеет отрицательный заряд.

Искусственное превращение ядер — изменение состава и свойств атомного ядра при взаимодействии с другой частицей или ядром. В результате меняются числа протонов и нейтронов, а иногда образуется радиоактивный продукт. Это исходный процесс, который может привести к искусственной радиоактивности.

Как это устроено

Стабильное ядро мишени облучают α-частицами, протонами, нейтронами или другими ядрами. В столкновении налетающая частица передаёт ядру энергию и может присоединиться к нему либо выбить из него нуклон. Поэтому состав ядра меняется, а по сохранению массового и зарядового чисел определяется новый нуклид.

Полученное ядро может оказаться неустойчивым, если соотношение протонов и нейтронов для него неблагоприятно или оно обладает избытком энергии. Ядро переходит в более устойчивое состояние самопроизвольно, без внешнего запуска. Так искусственное превращение при облучении и последующий радиоактивный распад являются двумя разными процессами.

При β⁺-распаде один протон внутри ядра превращается в нейтрон. Одновременно испускаются позитрон e⁺ и нейтрино ν, уносящие энергию и импульс. Число нуклонов не меняется, поэтому массовое число сохраняется, а протонов становится на один меньше: ᴬZX → ᴬZ−1Y + e⁺ + ν.

При облучении алюминия-27 α-частица присоединяется к ядру, но наружу вылетает нейтрон: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n. Получается фосфор-30, у которого 15 протонов и 15 нейтронов; он радиоактивен. Затем один его протон превращается в нейтрон: ³⁰P → ³⁰Si + e⁺ + ν, и образуется стабильный кремний-30.

После окончания облучения новые радиоактивные ядра уже не создаются, но ранее возникшие продолжают распадаться. Для них действует тот же закон, что и для естественных радионуклидов: N = N₀/2ⁿ, где n — число периодов полураспада. Период полураспада и активность определяются свойствами данного нуклида, а не способом его получения.

Сравнение естественной и искусственной радиоактивности

Таблица помогает разделить происхождение нуклида и причину его распада: сам распад в обоих случаях подчиняется одним законам. Для сравнения сначала найдите строку с нужным признаком, а затем сопоставьте характеристики двух источников радиоактивности. Вид распада зависит от строения конкретного ядра, поэтому список типичных процессов не является абсолютно исключающим.

Разбор задач

1. Получение и распад фосфора-30

Условие: записать реакцию получения ³⁰P при облучении ²⁷Al α-частицами и его последующий β⁺-распад.

1. Записываем исходные ядра: ²⁷Al и ⁴He. Слева массовое число равно 27 + 4 = 31, зарядовое — 13 + 2 = 15.
2. Вылетает нейтрон ¹n, поэтому оставшийся продукт имеет массовое число 31 − 1 = 30 и зарядовое число 15.
3. Элемент с Z = 15 — фосфор: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n.
4. При β⁺-распаде A не меняется, а Z уменьшается с 15 до 14. Значит, образуется кремний: ³⁰P → ³⁰Si + e⁺ + ν.

Ответ: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n; ³⁰P → ³⁰Si + e⁺ + ν.

2. Доля фосфора-30 через 450 с

Условие: период полураспада фосфора-30 равен 150 с. Найти долю первоначального числа ядер через 450 с.

1. Находим число прошедших периодов: n = 450/150 = 3.
2. За каждый период остаётся половина ядер, поэтому используем N/N₀ = (½)ⁿ.
3. Подставляем n = 3: N/N₀ = (½)³ = ⅛.

Ответ: останется ⅛ первоначального числа ядер, то есть 12,5%.

3. Число распадов за 30 часов

Условие: образовалось N₀ = 8,0 · 10¹⁸ ядер, период полураспада равен 10 ч. Найти число β⁺-распадов за первые 30 ч, если дочерний нуклид стабилен.

1. За 30 ч проходит n = 30/10 = 3 периода полураспада.
2. Оставшееся число ядер: N = N₀/2³ = 8,0 · 10¹⁸/8 = 1,0 · 10¹⁸.
3. Каждое исчезнувшее исходное ядро даёт один β⁺-распад, поэтому число распадов равно N₀ − N.
4. Получаем 8,0 · 10¹⁸ − 1,0 · 10¹⁸ = 7,0 · 10¹⁸.

Ответ: за первые 30 ч произойдёт 7,0 · 10¹⁸ β⁺-распадов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что искусственная радиоактивность длится только во время облучения. Так думают, потому что образование новых ядер действительно прекращается вместе с источником частиц. Проверьте себя: разделяйте этап создания нуклида и его дальнейший самопроизвольный распад.

Ошибка: путать β⁺-распад с испусканием электрона. Причина — оба процесса называют β-распадами, хотя при β⁺ испускается положительный позитрон, а Z уменьшается на единицу. В уравнении поставьте e⁺ и проверьте изменение зарядового числа.

Ошибка: нарушать сохранение массового или зарядового числа, забывая нейтрон или нейтрино. Это происходит, если подбирают частицу только по названию элемента и не проверяют баланс. Сложите A и Z слева и справа отдельно; для β⁺-распада также укажите ν.

Ошибка: считать, что период полураспада зависит от количества вещества или длительности облучения. Количество ядер меняет число распадов, но сам период является характеристикой конкретного радионуклида. Сверяйте период с названием нуклида и используйте его как постоянную величину.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны состав атомного ядра, массовое и зарядовое числа, виды радиоактивного распада и закон сохранения зарядового числа. Эти знания позволяют составлять уравнения реакций и находить неизвестные частицы.

Искусственная радиоактивность связана с ядерными реакциями, получением радиоизотопов и ядерной энергетикой. Радиоактивные нуклиды используют также в радионуклидной диагностике.

Закон распада, период полураспада и активность применяются в медицине, радиоуглеродном датировании и радиационной дозиметрии. Поэтому тема соединяет ядерную физику с практическими методами измерения и диагностики.

Что запомнить

• Искусственная радиоактивность возникает у нуклидов, полученных в ядерной реакции.
• Радиоактивный нуклид продолжает распадаться после прекращения облучения.
• При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон.
• При β⁺-распаде испускаются позитрон и нейтрино.
• Массовое число при β⁺-распаде не изменяется, а зарядовое уменьшается на единицу.
• К искусственным радиоактивным нуклидам применим закон радиоактивного распада.
• Образование искусственного нуклида и его последующий распад — это два разных ядерных процесса.