§ 52 Радиоактивность. Модели атомов

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер неустойчивых атомов, сопровождающееся излучением. Самопроизвольность означает, что распад начинается без внешнего запуска и связан с внутренним состоянием ядра. Это понятие нужно, чтобы отличать ядерное превращение от обычного свечения или нагревания вещества.

Альфа-излучение — поток ядер гелия с положительным зарядом и сравнительно большой массой. Такое ядро содержит два протона и два нейтрона, поэтому его иногда обозначают ⁴₂He. Знание состава альфа-частицы помогает определять, как изменяются массовое и зарядовое числа ядра.

Бета-излучение — поток быстрых электронов, возникающих при превращениях атомных ядер. Электрон имеет отрицательный заряд и очень малую массу, поэтому бета-частицы заметно отклоняются в электрических и магнитных полях. Это определение позволяет не путать бета-излучение с потоком протонов.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение, испускаемое возбужденным атомным ядром. Оно не состоит из заряженных частиц, поэтому не отклоняется электрическим и магнитным полями. Понятие важно для объяснения большой проникающей способности гамма-лучей.

Как это устроено

Радиоактивность происходит самопроизвольно, потому что некоторые ядра имеют неустойчивое сочетание протонов и нейтронов. Такое ядро стремится перейти в более устойчивое состояние, испустив частицу или энергию. Внешние условия обычно не влияют на силы внутри ядра, поэтому нагревание, охлаждение и давление не могут остановить распад.

Чтобы разделить радиоактивное излучение, его пропускают через электрическое или магнитное поле. Заряженные частицы отклоняются под действием силы поля, причём направление зависит от знака заряда, а величина — также от массы и скорости. Альфа-частицы отклоняются слабо в одну сторону, электроны — сильнее в противоположную, а гамма-излучение идёт прямо.

Различия между тремя видами излучения объясняются их природой. Тяжёлые положительные альфа-частицы труднее изменить в движении, но при прохождении близко к атомам сильно воздействуют на их электроны и создают много ионов. Лёгкие бета-частицы отклоняются сильнее, а гамма-излучение не испытывает действия поля как поток заряженных частиц.

Проникающая способность зависит от того, насколько легко излучение взаимодействует с веществом. Альфа-частицы быстро теряют энергию и задерживаются листом бумаги или несколькими сантиметрами воздуха, бета-частицы проходят дальше, а гамма-лучи могут проникать через значительную толщину вещества. Поэтому одинаковая интенсивность разных излучений не означает одинаковую опасность: учитывают также ионизирующее действие и условия облучения.

Резерфорд направлял альфа-частицы на тонкую золотую фольгу и наблюдал их рассеяние. Большинство частиц прошло почти прямо, но некоторые отклонились на большие углы, что невозможно объяснить равномерно распределённым зарядом. Значит, атом почти пуст, а его положительный заряд и почти вся масса собраны в маленьком плотном ядре; так модель Томсона уступила место ядерной модели Резерфорда.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Таблицу удобно читать по признакам: сначала определите природу излучения и его заряд, затем сравните отклонение и действие на вещество. Если излучение не отклоняется и лучше всего проходит через преграды, это гамма-компонента.

Сведения об отклонении помогают различить заряженные частицы, а данные о проникающей способности — подобрать защиту. Ионизирующее действие показывает, насколько активно излучение выбивает электроны из атомов вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определение вида излучения

Условие. Излучение не отклоняется в электрическом поле, обладает наибольшей проникающей способностью и является электромагнитным. Требуется определить его вид. Нужно сопоставить все признаки, а не использовать только один из них.

1. Проверяем заряд: электромагнитное излучение не является потоком заряженных частиц.
2. Следовательно, электрическое и магнитное поля не отклоняют его.
3. Среди трёх видов именно гамма-излучение имеет электромагнитную природу и наибольшую проникающую способность.

Ответ: гамма-излучение. Его испускает возбужденное ядро, когда переходит в состояние с меньшей энергией.

Задача 2. Альфа-распад урана

Условие. Ядро урана испускает альфа-частицу. Требуется определить, как изменятся массовое число A и зарядовое число Z дочернего ядра. Альфа-частица содержит два протона и два нейтрона.

1. Из исходного ядра удаляются четыре нуклона, поэтому массовое число уменьшается на 4: A′ = A − 4.
2. Два протона уносят положительный заряд 2e, поэтому зарядовое число уменьшается на 2: Z′ = Z − 2.
3. Если исходное ядро обозначено ᴬ_ZX, схема имеет вид ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He.

Ответ: массовое число дочернего ядра уменьшается на 4, а зарядовое — на 2. Это следует из сохранения числа нуклонов и электрического заряда.

Задача 3. Рассеяние альфа-частиц

Условие. При прохождении через золотую фольгу большинство альфа-частиц почти не отклоняется, а некоторые меняют направление на большой угол. Нужно объяснить оба результата с помощью строения атома.

1. Основная часть объёма атома свободна, поэтому большинство частиц проходит далеко от ядер и движется почти прямо.
2. Положительные альфа-частицы отталкиваются от положительного ядра, если пролетают достаточно близко к нему.
3. Большое отклонение возможно при почти лобовом сближении, потому что в ядре сосредоточены значительный заряд и почти вся масса атома.

Ответ: наблюдение подтверждает ядерную модель атома. Редкие сильные отклонения указывают на малое плотное ядро, а большое число прямых пролётов — на огромный объём пространства вокруг него.

Типичные ошибки

Ошибка: считать радиоактивность обычным свечением или нагреванием вещества. Так думают, потому что при излучении действительно может выделяться энергия, но причина находится в превращении ядра. Проверьте себя: спросите, изменяется ли атомное ядро; если да, речь идёт о ядерном процессе.

Ошибка: называть бета-излучение потоком протонов. Её допускают из-за того, что и протоны, и электроны имеют заряд, однако в школьной модели бета-частицы — быстрые электроны. Проверка проста: электрон имеет отрицательный заряд и малую массу, поэтому отклоняется сильнее альфа-частицы.

Ошибка: считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. На самом деле это электромагнитное излучение, поэтому оно не отклоняется в электрическом и магнитном полях. Если луч не меняет направление в поле, это признак гамма-компоненты.

Ошибка: представлять атом Резерфорда полностью заполненным положительным зарядом. Такое описание относится к модели Томсона, а ядерная модель помещает положительный заряд и почти всю массу в маленькое ядро. Вспомните результат опыта: большинство частиц проходит прямо, значит, атом в основном пуст.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении атома, электрическом заряде, электрическом и магнитном полях. Также важно различать протон, нейтрон и электрон, поскольку их свойства определяют состав излучения.

Радиоактивные превращения связаны с законами сохранения электрического заряда и массового числа. Эти законы позволяют составлять схемы распада и находить неизвестные характеристики ядер.

Знания пригодятся при изучении ядерных реакций, радиоактивного распада, ядерной энергетики и дозиметрии. Они также нужны для понимания правил радиационной безопасности и принципов защиты от разных видов излучения.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер.
• Альфа-излучение — поток ядер гелия.
• Бета-излучение — поток быстрых электронов.
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение ядерного происхождения.
• Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями.
• Опыт Резерфорда доказал существование малого плотного положительно заряженного ядра.
• В ядерной модели атома почти вся масса атома сосредоточена в ядре.