§ 7.4. Альфа-, бета- и гамма-излучения

Определения и обозначения

Альфа-излучение — поток альфа-частиц, то есть ядер гелия ⁴₂He. Каждая такая частица содержит два протона и два нейтрона, поэтому имеет заряд +2e и сравнительно большую массу. Понятие нужно, чтобы записывать α-распад: массовое число ядра уменьшается на 4, а зарядовое — на 2.

Бета-излучение — поток быстрых электронов β⁻ или позитронов β⁺, испускаемых при превращении нейтрона и протона. Масса бета-частицы очень мала, а её заряд равен −e или +e. Различение β⁻ и β⁺ позволяет правильно определить, как меняется зарядовое число дочернего ядра.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии, испускаемое возбуждённым ядром. Гамма-квант не имеет электрического заряда и массы покоя, поэтому его нельзя считать потоком заряженных частиц. Это обозначение помогает объяснить большую проникающую способность γ-излучения и отсутствие изменения состава ядра при его испускании.

Как это устроено

Радиоактивное ядро неустойчиво, потому что его состав или соотношение протонов и нейтронов не соответствует устойчивому состоянию. Оно самопроизвольно переходит в более устойчивое состояние, испуская частицу или квант энергии. При α-распаде из ядра удаляются два протона и два нейтрона, поэтому новый элемент отстоит от исходного на две клетки в периодической системе. Схема превращения такова: ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He.

При β⁻-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино. Электрон покидает ядро как β⁻-частица, а число нуклонов сохраняется: ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁺¹Y + ⁰₋₁e. При β⁺-распаде, наоборот, протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино, поэтому ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁻¹Y + ⁰₊₁e. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом и уносит часть энергии и импульса.

Гамма-квант испускается, когда дочернее ядро после распада остаётся возбуждённым. Ядро переходит на уровень с меньшей энергией, но число протонов и нейтронов не меняется, поэтому γ-распад часто сопровождает α- или β-распад. Заряженные α- и β-частицы ионизируют атомы и отклоняются в электрическом и магнитном полях, причём в противоположные стороны. Гамма-излучение не отклоняется и проходит глубже, поскольку фотоны не имеют заряда.

Проникающая способность связана с тем, насколько часто излучение взаимодействует с веществом и как быстро теряет энергию. Альфа-частицы сталкиваются с атомами очень часто, поэтому их задерживает бумага, но на коротком пути они создают много ионов. Бета-частицы проходят дальше, однако их останавливает слой алюминия или пластика. Гамма-кванты взаимодействуют реже, поэтому для заметного ослабления нужны плотные и толстые материалы.

Сравнение альфа-, бета- и гамма-излучений

Сначала по таблице определите природу излучения и его заряд, а затем сделайте вывод о поведении в электрическом или магнитном поле. Для выбора защиты сравнивайте не только опасность излучения, но и его способность проникать в вещество. Альфа-излучение снаружи задерживается легко, однако при попадании внутрь организма становится особенно опасным.

Разбор задач

Задача. Ядро полония ²¹⁰₈₄Po испытало α-распад, а образовавшееся ядро затем β⁻-распад. Определите массовое и зарядовое числа конечного ядра и установите, какой элемент образовался. Сначала нужно рассматривать превращения последовательно, потому что второй распад происходит уже с новым ядром.

1. При α-распаде массовое число уменьшается на 4: A₁ = 210 − 4 = 206.
2. Зарядовое число уменьшается на 2: Z₁ = 84 − 2 = 82. Ядро с Z = 82 — свинец, поэтому промежуточное ядро имеет вид ²⁰⁶₈₂Pb.
3. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон. Массовое число сохраняется: A₂ = 206, а зарядовое увеличивается на единицу: Z₂ = 82 + 1 = 83.
4. Элемент с зарядовым числом 83 — висмут. Полная цепочка: ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He, затем ²⁰⁶₈₂Pb → ²⁰⁶₈₃Bi + ⁰₋₁e.

Ответ: конечное ядро имеет массовое число 206 и зарядовое число 83; образуется висмут ²⁰⁶₈₃Bi. Проверка выполняется сохранением массового числа и учётом изменения заряда на каждом этапе: −2 при α-распаде и +1 при β⁻-распаде.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. Так делают, перенося свойства α- и β-излучения на все виды радиации. Проверьте себя: γ-квант — фотон, у него нет заряда и массы покоя, поэтому в электрическом поле он не отклоняется.

Ошибка 2: изменять массовое число при β-распаде. Нейтрон превращается в протон или наоборот, но общее число нуклонов остаётся тем же. В записи распада поставьте индекс A без изменений, а Z измените на единицу.

Ошибка 3: считать альфа-излучение всегда самым опасным. Сравнение только по проникающей способности неполно: внутри организма α-частицы сильно ионизируют ткани. Уточняйте путь попадания излучения и отдельно оценивайте внешнее и внутреннее облучение.

Связь с другими темами

Тема связана с составом атомного ядра и нуклонной моделью: изменения числа протонов определяют превращение одного химического элемента в другой. Закон радиоактивного распада и период полураспада позволяют находить число ещё не распавшихся ядер и активность источника.

С электрическим и магнитным полями связана экспериментальная идентификация излучений по направлению и величине отклонения. С биологическим действием радиации тема соединяется через ионизацию атомов, дозу облучения и правила радиационной защиты.

Что запомнить

• α-излучение — поток ядер гелия; оно сильно ионизирует, но слабо проникает.
• β⁻-излучение состоит из электронов, β⁺-излучение — из позитронов.
• При α-распаде A уменьшается на 4, а Z — на 2.
• При β⁻-распаде A не меняется, Z увеличивается на 1; при β⁺-распаде Z уменьшается на 1.
• γ-излучение — поток фотонов без заряда и массы покоя; состав ядра при γ-распаде не меняется.
• Проникающая способность возрастает в ряду α, β, γ, а защита выбирается соответственно: бумага, алюминий, свинец или бетон.