§ 53 Радиоактивные превращения атомных ядер

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер, сопровождающееся испусканием частиц или электромагнитного излучения. Самопроизвольность означает, что для распада не требуется внешнее воздействие. Это понятие помогает отличать ядерные превращения от обычных химических реакций.

Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и является ядром атома гелия. Зная её состав, легко определить, на сколько изменятся массовое и зарядовое числа исходного ядра.

Бета-распад — превращение нейтрона в протон с испусканием электрона, называемого бета-частицей. При этом число частиц в ядре почти не меняется: один нейтрон заменяется одним протоном. Поэтому массовое число сохраняется, а зарядовое число увеличивается на единицу.

Гамма-излучение — испускание ядром высокоэнергетического электромагнитного излучения при переходе из возбуждённого состояния в основное. Гамма-квант не является частицей вещества и не меняет число протонов или нейтронов. Это нужно учитывать при записи полного уравнения распада.

Как это устроено

Некоторые ядра неустойчивы, потому что силы внутри них не обеспечивают выгодное сочетание протонов и нейтронов. Между протонами действует электрическое отталкивание, а ядерные силы удерживают нуклоны только на малых расстояниях. Если состояние ядра энергетически невыгодно, оно может перейти в более устойчивое состояние с меньшей энергией.

При альфа-распаде из ядра удаляются два протона и два нейтрона. Поэтому общее число нуклонов, то есть массовое число, уменьшается на 4, а число протонов, задающее заряд ядра, уменьшается на 2. Дочернее ядро принадлежит уже другому химическому элементу.

При бета-распаде один нейтрон превращается в протон, а электрон покидает ядро. До превращения этот нуклон учитывался в массовом числе как одна частица, и после превращения протон также учитывается как одна частица. Поэтому A не изменяется, но число протонов Z возрастает на 1, и элемент становится другим.

Гамма-излучение часто сопровождает альфа- или бета-распад, потому что новое ядро после испускания частицы может оказаться возбуждённым. Переход к более низкому энергетическому состоянию происходит с испусканием гамма-кванта. Поскольку при этом не вылетают нуклоны, состав ядра, A и Z остаются прежними.

Уравнение распада составляют так, чтобы сохранялись массовое и зарядовое числа. Для альфа-распада используют схему ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He, а для бета-распада — ᴬ_ZX → ᴬ_Z⁺¹Y + ⁰₋₁e. Эти изменения называют правилами смещения: по новому Z в периодической таблице находят химический элемент.

Виды радиоактивных превращений и их особенности

В таблице сравниваются не только испускаемые объекты, но и результат их действия на ядро. Для определения дочернего элемента прежде всего смотрите на изменение зарядового числа, а для проверки уравнения — на A и Z с обеих сторон.

Разбор задач

Альфа-распад радия-226

Запишем уравнение альфа-распада радия-226 и определим дочерний элемент. У радия массовое число A = 226, а зарядовое число Z = 88. При таком распаде нужно учесть состав альфа-частицы, а затем обратиться к периодической таблице.

1. Уменьшаем A: 226 − 4 = 222.
2. Уменьшаем Z: 88 − 2 = 86.
3. Элемент с Z = 86 — радон Rn.
4. Записываем: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He.

Ответ: образуется радон-222. Проверка показывает, что 222 + 4 = 226 и 86 + 2 = 88, значит, оба числа сохранены.

Бета-распад углерода-14

Рассмотрим превращение углерода-14, у которого A = 14 и Z = 6. При бета-распаде нейтрон заменяется протоном, поэтому массовое число оставляем прежним. Зарядовое число увеличиваем на единицу и по нему определяем новый элемент.

1. Сохраняем A: 14.
2. Находим новое Z: 6 + 1 = 7.
3. Элемент с Z = 7 — азот N.
4. Получаем уравнение: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.

Ответ: зарядовое число дочернего ядра равно 7, а образовавшийся элемент — азот-14. В правой части 14 + 0 = 14, а 7 + (−1) = 6, поэтому зарядовое число уравнения также сбалансировано.

Последовательный распад

Пусть исходное ядро имеет массовое число A и зарядовое число Z, затем испытывает альфа-, бета- и гамма-превращение. Численные A и Z в условии не заданы, поэтому результат выразим через исходные значения. Последовательность важна: каждое следующее изменение применяют уже к полученному ядру.

1. После альфа-распада: A₁ = A − 4, Z₁ = Z − 2.
2. После бета-распада: A₂ = A − 4, Z₂ = Z − 1.
3. После гамма-излучения: A₃ = A − 4, Z₃ = Z − 1.
4. Конечный элемент находят по зарядовому числу Z − 1.

Ответ: массовое число конечного ядра равно A − 4, зарядовое число — Z − 1. Гамма-излучение эти значения не меняет, а название элемента определяется по таблице Менделеева.

Типичные ошибки

Ошибка 1. При альфа-распаде уменьшают Z на 4, смешивая массовое число альфа-частицы с её зарядом. У альфа-частицы четыре нуклона, но только два протона. Проверка: A должно уменьшиться на 4, а Z — на 2.

Ошибка 2. При бета-распаде изменяют массовое число. Так делают, потому что видят испускаемый электрон и считают его новым нуклоном ядра. Нужно помнить: нейтрон лишь превращается в протон, поэтому A сохраняется.

Ошибка 3. Гамма-излучение принимают за поток заряженных частиц и меняют состав ядра. На самом деле гамма-квант — электромагнитное излучение с нулевым зарядом. После гамма-перехода A и Z должны остаться прежними.

Ошибка 4. В уравнении не проверяют сохранение чисел и сразу называют элемент. Такая запись может привести к неверному дочернему ядру. Сложите массовые числа и отдельно зарядовые числа слева и справа.

Связь с другими темами

До изучения радиоактивности нужны знания о составе ядра, протонном и нейтронном числах, массовом числе и обозначении химических элементов. Эти сведения позволяют читать запись ядра и находить элемент по Z.

Тема связана со строением атома: она показывает, что ядро не всегда неизменно. Оно может самопроизвольно менять состав или энергетическое состояние, сохраняя общие законы природы.

Дальше знания пригодятся при изучении ядерных реакций, цепных реакций, ядерной энергетики и радиационной безопасности. Радиоактивность также используют для определения возраста веществ и исследования процессов внутри вещества.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер.
• Альфа-частица — ядро атома гелия; при альфа-распаде A уменьшается на 4, а Z — на 2.
• При бета-распаде нейтрон превращается в протон, поэтому A не изменяется, а Z увеличивается на 1.
• Гамма-излучение не изменяет ни массовое, ни зарядовое число ядра.
• Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются природой, зарядом и проникающей способностью.
• Уравнения радиоактивных превращений составляют с соблюдением законов сохранения массового и зарядового чисел.