§ 49. Радиоактивные превращения

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. Слово «самопроизвольное» означает, что распад не запускают внешним воздействием. Это понятие нужно, чтобы отличать радиоактивное превращение от реакции, которую вызывают столкновением частиц.

Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы, то есть ядра атома гелия ⁴₂He. В ней два протона и два нейтрона. По составу этой частицы можно установить, насколько изменятся массовое и зарядовое числа исходного ядра.

Бета-распад — превращение ядра, при котором испускается электрон; в ядре нейтрон превращается в протон. Электрон обозначают ⁰₋₁e: его массовое число равно нулю, зарядовое — −1. Это обозначение помогает правильно учитывать заряд при записи ядерного уравнения.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение, испускаемое возбужденным ядром без изменения числа протонов и нейтронов. Возбужденным называют ядро с избытком энергии. Гамма-квант уносит эту энергию, поэтому понятие нужно, чтобы не спутать излучение с превращением одного химического элемента в другой.

Как это устроено

Радиоактивное превращение происходит самопроизвольно, потому что исходное ядро нестабильно. Его состав или состояние неустойчивы, и ядро переходит в состояние с меньшей энергией, испуская частицу либо излучение. Для начала отдельного распада не требуется, чтобы ядро предварительно столкнулось с другим ядром. Поэтому нельзя точно указать момент распада конкретного ядра, хотя сам факт радиоактивности вещества можно обнаружить.

При альфа-распаде из ядра вылетают два протона и два нейтрона — вместе они образуют альфа-частицу. Массовое число показывает общее число протонов и нейтронов, поэтому оно уменьшается на четыре. Зарядовое число показывает число протонов, поэтому оно уменьшается на два. Так как число протонов задаёт химический элемент, после альфа-распада образуется ядро другого элемента.

При бета-распаде один нейтрон превращается в протон и электрон, причём электрон испускается из ядра. Общее число частиц, составляющих ядро, не меняется: один нейтрон заменяется одним протоном. Поэтому массовое число остаётся прежним, а число протонов и зарядовое число увеличиваются на единицу. Дочернее ядро принадлежит уже другому химическому элементу.

После альфа- или бета-распада дочернее ядро иногда остаётся в возбужденном, то есть обладающем избытком энергии, состоянии. Оно может избавиться от этой энергии, испустив гамма-квант. При этом гамма-излучении не меняются ни число протонов, ни число нейтронов: меняется только энергия ядра. Поэтому гамма-излучение может сопровождать распад, но само по себе не превращает ядро в ядро другого элемента.

Ядерные превращения записывают уравнениями, в которых слева стоит исходное ядро, а справа — продукты превращения. Чтобы запись была верной, сумма массовых чисел слева должна равняться сумме массовых чисел справа; так же должно сохраняться суммарное зарядовое число. Например, при альфа-распаде недостающие числа дочернего ядра находят вычитанием 4 и 2. После этого по зарядовому числу определяют символ химического элемента.

Сравнение радиоактивных превращений

Пользуйтесь таблицей, чтобы быстро определить, какие числа нужно изменить в уравнении. Сначала установите вид превращения, затем проверьте массовое и зарядовое числа. Если испущен гамма-квант, состав ядра и химический элемент остаются прежними.

Разбор задач

Альфа-распад полония-210

Условие: запишите уравнение альфа-распада полония-210 и определите образовавшееся ядро. Символ полония — Po, его зарядовое число равно 84. Альфа-частица обозначается ⁴₂He, поэтому её массовое и зарядовое числа известны.

1. При альфа-распаде массовое число дочернего ядра равно 210 − 4 = 206. Четвёрку вычитаем потому, что альфа-частица уносит четыре нуклона.
2. Зарядовое число нового ядра равно 84 − 2 = 82. По таблице химических элементов зарядовому числу 82 соответствует свинец Pb.
3. Записываем исходное ядро, дочернее ядро и альфа-частицу. Проверяем сохранение чисел: 210 = 206 + 4, а 84 = 82 + 2.

Ответ: ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He; образовалось ядро свинца-206.

Бета-распад углерода-14

Условие: при бета-распаде углерода-14 образуется новое ядро. Нужно определить его массовое и зарядовое числа и записать уравнение превращения. Углерод имеет зарядовое число 6, а испускаемый электрон обозначается ⁰₋₁e.

1. При бета-распаде массовое число не меняется, поэтому у дочернего ядра A = 14. Нейтрон становится протоном, но общее число нуклонов остаётся тем же.
2. Зарядовое число дочернего ядра увеличивается на единицу: Z = 6 + 1 = 7. Элемент с зарядовым числом 7 — азот, его символ N.
3. Записываем уравнение: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e. Проверяем числа: 14 = 14 + 0 и 6 = 7 + (−1).

Ответ: образуется ядро азота-14 с массовым числом 14 и зарядовым числом 7; ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e.

Последовательный распад урана-238

Условие: ядро урана-238 сначала испытывает альфа-распад, затем бета-распад. Требуется найти массовое и зарядовое числа конечного ядра и назвать элемент. Уран имеет зарядовое число 92, а превращения нужно рассматривать по очереди.

1. После альфа-распада массовое число равно 238 − 4 = 234, а зарядовое — 92 − 2 = 90. На этом этапе образуется ядро тория-234, но это ещё не конечный результат.
2. Затем происходит бета-распад: массовое число остаётся равным 234, а зарядовое увеличивается с 90 до 91. Порядок действий важен: правила каждого распада применяются к ядру, полученному на предыдущем шаге.
3. Элемент с зарядовым числом 91 — протактиний Pa. Проверяем итоговые изменения: массовое число уменьшилось только на 4, а зарядовое стало 92 − 2 + 1 = 91.

Ответ: конечное ядро имеет массовое число 234 и зарядовое число 91; это протактиний-234.

Типичные ошибки

При альфа-распаде иногда уменьшают массовое число только на 2, считая лишь два протона. Но альфа-частица содержит также два нейтрона, поэтому из ядра уходит четыре нуклона. Чтобы проверить себя, отдельно посчитайте протоны и нейтроны альфа-частицы: их общее число равно четырём. Значит, массовое число уменьшается на 4, а зарядовое — на 2.

При бета-распаде могут увеличить массовое число на единицу, потому что испускается электрон. Однако электрон не добавляет нуклонов к ядру: нейтрон превращается в протон, и число частиц в ядре сохраняется. Проверьте, что сумма протонов и нейтронов до и после превращения одинакова. Следовательно, массовое число не меняется, а зарядовое увеличивается на 1.

Ещё одна ошибка — перепутать зарядовое и массовое числа при определении элемента. Массовое число показывает общее число нуклонов, а химический элемент определяется числом протонов, то есть зарядовым числом. Поэтому после распада сначала вычислите Z и только затем найдите по нему символ элемента. Самопроверка: у разных изотопов одного элемента массовые числа могут различаться, но зарядовое число у них одинаковое.

Гамма-излучение иногда принимают за испускание частицы, меняющей состав ядра. Гамма-квант уносит энергию, но не уносит протоны и нейтроны, поэтому массовое и зарядовое числа не изменяются. Проверьте уравнение: у ядра до и после гамма-излучения должны совпадать A и Z. Если вы поменяли химический элемент, значит, гамма-излучение понято неверно.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать радиоактивные превращения, нужно знать состав атомного ядра, смысл массового и зарядового чисел и строение атома. Эти знания позволяют понять, какие частицы входят в ядро и как по числу протонов определить элемент. Правила распада пригодятся при изучении ядерных реакций и цепных реакций, где ядра также превращаются и испускают частицы. Они помогают объяснить и применение радиоактивных изотопов, свойства которых связаны с нестабильными ядрами.

Что запомнить

• Радиоактивный распад происходит самопроизвольно.
• Альфа-частица — ядро гелия.
• При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4, зарядовое — на 2.
• При бета-распаде массовое число не меняется, зарядовое увеличивается на 1.
• Гамма-излучение не изменяет состав ядра.
• В уравнении ядерного превращения сохраняются суммарные массовое и зарядовое числа.