§83. Естественная радиоактивность

Определения и обозначения

Естественная радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. Оно происходит без запуска внешним воздействием; искусственную радиоактивность получают, вызывая превращение ядер, например бомбардируя их частицами. Это различие помогает понять, откуда берётся распад и что именно изменяется в ядре.

Альфа-распад — превращение ядра с испусканием альфа-частицы, то есть ядра гелия-4, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. Поэтому массовое число A уменьшается на 4, а зарядовое число Z — на 2. Эти изменения позволяют определить элемент, который образуется после распада.

Бета-распад — превращение ядра с испусканием электрона или позитрона. При нём число нуклонов не меняется, поэтому массовое число сохраняется, а зарядовое изменяется на единицу: увеличивается при β⁻-распаде и уменьшается при β⁺-распаде. По изменению Z можно установить дочерний химический элемент.

Гамма-излучение — испускание ядром высокоэнергетического фотона при переходе в состояние с меньшей энергией. Фотон не является нуклоном, поэтому состав ядра и его массовое и зарядовое числа не меняются. Это определение отличает гамма-переход от распада, при котором меняется состав ядра.

Как это устроено

Некоторые сочетания протонов и нейтронов делают ядро нестабильным, и оно может перейти в состояние с меньшей энергией. Такой переход происходит самопроизвольно: внешнее воздействие не запускает отдельный акт распада и не позволяет выбрать его момент. Нельзя заранее сказать, когда распадётся конкретное ядро, потому что событие имеет случайный характер. Для большого числа ядер можно описывать распад статистически, но это не даёт точного времени для каждого из них.

При альфа-распаде ядро выбрасывает связку из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку в ней четыре нуклона, массовое число дочернего ядра становится на четыре меньше, а число протонов — на два меньше. Если исходное ядро обозначить ᴬ_ZX, уравнение имеет вид ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z⁻²Y + ⁴₂He. Суммы массовых чисел и зарядовых чисел слева и справа совпадают, поэтому уравнение можно проверить по законам сохранения.

При β⁻-распаде один нейтрон внутри ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино: n → p + e⁻ + ν̄. Общее число нуклонов остаётся прежним, а протонов становится на один больше, поэтому A сохраняется, а Z увеличивается на единицу. При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино: p → n + e⁺ + ν. Тогда A также не меняется, но Z уменьшается на единицу. Испущенные частицы учитывают в уравнении, чтобы сохранялся электрический заряд.

После альфа- или бета-распада дочернее ядро иногда остаётся возбуждённым, то есть обладает избытком энергии. Оно избавляется от избытка, испуская гамма-квант — фотон, уносящий энергию. Так как фотон не содержит нуклонов и не изменяет число протонов, при гамма-переходе A и Z остаются теми же. Поэтому гамма-излучение часто сопровождает другие виды распада, но само не превращает ядро в ядро другого элемента.

Излучения различаются электрическим зарядом и тем, как взаимодействуют с веществом. Заряженные альфа-частицы интенсивно сталкиваются с атомами и отрывают электроны, поэтому сильно ионизируют среду, но быстро теряют энергию и слабо проникают. Бета-частицы тоже заряжены, однако они легче и обычно проникают дальше альфа-частиц. Гамма-фотоны не имеют заряда, реже взаимодействуют с атомами и потому обладают высокой проникающей способностью, хотя ионизируют слабее альфа-частиц.

Сравнение альфа-, бета- и гамма-излучений

Сначала определите природу излучения, а затем проследите, как меняются A и Z исходного ядра. Таблица показывает общие сравнительные свойства: реальное взаимодействие с веществом зависит и от энергии излучения. Для проверки ядерного уравнения отдельно сравните суммы A и Z по обе стороны стрелки.

Разбор задач

Уран-238 испытывает альфа-распад

Условие: ядро урана-238 испускает альфа-частицу; требуется записать частицу и определить массовое и зарядовое числа дочернего ядра. Для урана Z = 92, а альфа-частица — ядро гелия-4 с A = 4 и Z = 2. При альфа-распаде оба числа исходного ядра уменьшаются на соответствующие числа частицы.

1. Записываем ядро урана: ²³⁸₉₂U, а испускаемую частицу — ⁴₂He.
2. Находим числа дочернего ядра: A = 238 − 4 = 234, Z = 92 − 2 = 90.
3. Элемент с Z = 90 — торий, поэтому уравнение имеет вид ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He. Проверяем: 238 = 234 + 4 и 92 = 90 + 2.

Ответ: испускается ⁴₂He; дочернее ядро — торий-234, его A = 234 и Z = 90.

Углерод-14 испытывает бета-минус-распад

Условие: определить зарядовое число и название образовавшегося ядра, затем записать уравнение β⁻-распада. У углерода-14 зарядовое число равно 6. При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон, поэтому нуклонов остаётся столько же, а заряд ядра возрастает на единицу.

1. Массовое число сохраняется: A = 14.
2. Зарядовое число дочернего ядра Z = 6 + 1 = 7. Элемент с Z = 7 — азот.
3. Записываем уравнение с электроном и антинейтрино: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e + ν̄. Проверка заряда: 6 = 7 − 1.

Ответ: образуется азот-14 с Z = 7; уравнение: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e + ν̄.

Радий-226 сначала испытывает альфа-, затем бета-минус-распад

Условие: найти массовое и зарядовое числа ядра после двух последовательных превращений и назвать элемент. У радия Z = 88. Удобно применять правила по очереди, каждый раз используя результат предыдущего шага, а не пытаться угадать конечное ядро.

1. После альфа-распада A уменьшается на 4, а Z — на 2: получаем A = 222 и Z = 86. Элемент с Z = 86 — радон-222.
2. Затем происходит β⁻-распад: A сохраняется, а Z увеличивается на 1. Поэтому конечные числа — A = 222 и Z = 87.
3. Элемент с Z = 87 — франций. Последовательность уравнений: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He, затем ²²²₈₆Rn → ²²²₈₇Fr + ⁰₋₁e + ν̄.

Ответ: конечное ядро — франций-222; A = 222, Z = 87.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при альфа-распаде массовое число уменьшается на один. Так путают изменение заряда частицы с числом содержащихся в ней нуклонов, хотя альфа-частица — это два протона и два нейтрона. Проверка: уменьшите A на 4, Z на 2 и убедитесь, что обе суммы в ядерном уравнении совпадают.

Ошибка: менять массовое число при β⁻-распаде. Кажется, что появление протона добавляет нуклон, но нейтрон превращается в протон, а не исчезает и не возникает отдельно. Число нуклонов сохраняется, поэтому меняется только Z; самопроверка — сравнить A исходного и дочернего ядер.

Ошибка: считать гамма-излучение потоком заряженных частиц или менять состав ядра при гамма-переходе. Это происходит из-за смешения гамма-кванта с альфа- и бета-частицами, хотя гамма-квант является фотоном. Проверьте, что у него нет заряда и нуклонов: при испускании гамма-кванта A и Z ядра неизменны.

Ошибка: путать проникающую и ионизирующую способности. Сильное взаимодействие альфа-частиц с веществом означает мощную ионизацию, но они быстро теряют энергию и не проходят далеко. Проверка: сопоставьте свойства по отдельности — альфа-излучение сильно ионизирует, гамма-излучение проникает глубже.

Связь с другими темами

Для работы с радиоактивностью нужны знания о строении атомного ядра: протоны и нейтроны называются нуклонами, A показывает их общее число, а Z — число протонов. Обозначения химических элементов помогают по Z определить название дочернего ядра. При составлении уравнений применяются законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов; они позволяют проверять результат и находить неизвестные частицы.

Правила распада становятся основой для изучения закона радиоактивного распада и периода полураспада — времени, за которое распадается половина большого числа исходных ядер. Они также нужны при разборе ядерных реакций и в дозиметрии, где оценивают воздействие излучения на вещество и организм. Понимание различий между видами излучения помогает связывать их свойства с защитой от радиации.

Что запомнить

• Радиоактивный распад отдельного ядра происходит самопроизвольно и имеет случайный характер.
• При альфа-распаде массовое число уменьшается на четыре, а зарядовое — на два.
• При бета-минус-распаде массовое число сохраняется, а зарядовое число увеличивается на один.
• При бета-плюс-распаде массовое число сохраняется, а зарядовое число уменьшается на один.
• При гамма-излучении ядро теряет энергию, но его массовое и зарядовое числа не меняются.
• Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются природой, ионизирующей и проникающей способностью.