"Физика. Оптика. Квантовая физика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Правило смещения показывает, как меняются ядро и химический элемент при радиоактивном распаде. Оно связывает вид испускаемого излучения с изменением массового числа A и зарядового числа Z. По этим изменениям можно определить дочернее ядро, его элемент и правильно записать уравнение превращения. Главное: при альфа-распаде A уменьшается на 4, Z — на 2; при бета-минус-распаде A сохраняется, а Z увеличивается на 1; гамма-излучение состав ядра не меняет.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Правило смещения — правило, по которому определяют изменение порядкового номера элемента и состава ядра при радиоактивном распаде. Оно позволяет найти дочернее ядро, даже если известен только вид излучения. Это основа для записи уравнений ядерных превращений.
Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. Такая частица обозначается ⁴₂He. Знание её состава сразу показывает, на сколько изменятся характеристики исходного ядра.
Бета-распад в рассматриваемом случае — превращение ядра с испусканием электрона. Внутри ядра нейтрон превращается в протон, поэтому число нуклонов сохраняется, а число протонов увеличивается. Это помогает отличить бета-минус-распад от альфа-распада.
Массовое число A — число всех нуклонов в ядре, а зарядовое число Z — число протонов. По Z находят химический элемент в периодической таблице, а по A — конкретный изотоп. Поэтому для определения дочернего ядра нужно установить оба числа.
При альфа-распаде ядро испускает группу из двух протонов и двух нейтронов. Эти четыре нуклона покидают ядро, поэтому его массовое число уменьшается на 4, а число протонов — на 2. В результате дочернее ядро имеет вид ᴬ⁻⁴Z⁻²Y.
Уменьшение зарядового числа на две единицы означает потерю двух протонов. Поскольку порядковый номер элемента равен числу протонов, новый элемент находится на две позиции левее исходного в периодической таблице. Например, из элемента с Z = 84 после альфа-распада получается элемент с Z = 82.
При бета-минус-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон, а электрон вылетает наружу. Один нуклон не исчезает и не появляется, поэтому массовое число остаётся прежним. Число протонов возрастает на 1, и дочернее ядро записывается как ᴬZ⁺¹Y.
Увеличение Z на единицу меняет порядковый номер элемента на следующий. Поэтому после бета-минус-распада элемент смещается на одну позицию вправо в периодической таблице. Например, углерод с Z = 6 превращается в азот с Z = 7.
Гамма-излучение представляет собой квант электромагнитного излучения, испускаемый возбужденным ядром. При этом из ядра не вылетают нуклоны и не меняется их состав, а уменьшается только энергия ядра. Поэтому A и Z сохраняются, химический элемент не изменяется, а меняется лишь его энергетическое состояние.
| Вид излучения | Что испускает ядро | Изменение массового числа A | Изменение зарядового числа Z | Смещение в периодической таблице |
|---|---|---|---|---|
| Альфа-излучение | Альфа-частицу: 2 протона и 2 нейтрона | Уменьшается на 4 | Уменьшается на 2 | На две позиции влево |
| Бета-минус-излучение | Электрон | Не изменяется | Увеличивается на 1 | На одну позицию вправо |
| Гамма-излучение | Гамма-квант | Не изменяется | Не изменяется | Смещения нет |
Сначала определите вид распада, затем измените A и Z по соответствующей строке. После этого найдите элемент по новому Z, а изотоп — по получившемуся A.
Таблица особенно удобна для цепочки превращений: результат одного шага становится исходными данными для следующего. В конце полезно проверить сохранение числа нуклонов и электрического заряда.
Ядро полония-210 имеет массовое число A = 210 и зарядовое число Z = 84. При альфа-распаде нужно учесть потерю двух протонов и двух нейтронов. Найдём характеристики дочернего ядра и определим элемент по новому Z.
Дочернее ядро имеет массовое число 206 и зарядовое число 82. Образуется свинец-206. Уравнение можно записать так: ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He.
Для углерода-14 исходные значения равны A = 14 и Z = 6. При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон, поэтому число нуклонов не меняется. Зарядовое число увеличивается на единицу.
Дочернее ядро — азот-14 с A = 14 и Z = 7. Массовое число осталось прежним, а элемент сменился с углерода на азот. Схематично: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.
Уран-238 имеет A = 238 и Z = 92. Сначала происходят альфа-распад, затем два последовательных бета-минус-распада. Поэтому изменения нужно выполнять по очереди, не смешивая результаты разных шагов.
Итоговые числа: A = 234 и Z = 92. Элемент с Z = 92 — уран, поэтому образуется уран-234. Два бета-минус-распада компенсируют уменьшение Z, вызванное одним альфа-распадом.
При альфа-распаде иногда уменьшают A только на 2, путая массовое число с числом протонов. Альфа-частица содержит четыре нуклона, поэтому A уменьшается на 4, а Z — на 2. Проверка: отдельно посчитайте в испущенной частице протоны и нейтроны.
При бета-минус-распаде ошибочно изменяют массовое число. Нейтрон не исчезает, а превращается в протон, поэтому общее число нуклонов остаётся прежним. Проверка: если A изменилось при одном бета-минус-распаде, расчёт нужно исправить.
Иногда путают направление смещения элемента. У альфа-распада Z уменьшается на 2, а у бета-минус-распада увеличивается на 1, поэтому направления противоположны. Проверяйте не положение в таблице на глаз, а сначала вычисляйте новое Z.
Гамма-излучению приписывают превращение одного элемента в другой. На самом деле гамма-квант уносит энергию возбужденного ядра, но не протоны и не нейтроны. Проверка проста: при гамма-распаде A и Z должны остаться прежними.
Для применения правила смещения нужно знать состав атомного ядра, обозначения A и Z и способ находить элемент по порядковому номеру в периодической таблице. Без этого невозможно определить дочерний элемент и его изотоп.
Правило смещения используют при записи уравнений ядерных реакций и радиоактивных цепочек. Оно связано с законами сохранения: в превращениях контролируют суммарное массовое число и электрический заряд.
Так правило связывает строение ядра с периодической системой химических элементов. Изменение числа протонов означает образование нового элемента, а изменение числа нейтронов без изменения Z — другого изотопа.
Почему при бета-минус-распаде массовое число не меняется?
При бета-минус-распаде один нейтрон превращается в протон. Общее число нуклонов — протонов и нейтронов — остаётся прежним, поэтому массовое число A не изменяется.
Как определить элемент, образующийся после альфа-распада?
Сначала уменьшите зарядовое число исходного ядра на 2. Затем найдите элемент с получившимся порядковым номером в периодической таблице.
В какую сторону смещается элемент при бета-минус-распаде?
Зарядовое число увеличивается на единицу, поэтому элемент смещается на одну позицию вправо в периодической таблице.
Меняет ли гамма-излучение химический элемент?
Нет. При испускании гамма-кванта ядро теряет избыток энергии, но его A и Z не изменяются.
Как применить правило смещения, если распадов происходит несколько?
Применяйте изменения последовательно после каждого распада. Учитывайте общий результат: число альфа-распадов меняет A и Z, а каждый бета-минус-распад увеличивает Z на 1.
§ 7.8. Правило смещения
