§85. Искусственная радиоактивность

Определения и обозначения

Искусственная радиоактивность — радиоактивность, возникающая у ядер, образовавшихся в результате ядерной реакции. Иными словами, нестабильное ядро сначала создают, воздействуя на другое ядро частицами. Это понятие помогает отличать происхождение радиоактивного ядра от самого процесса его последующего распада.

Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с частицей или другим ядром. Её записывают уравнением, в котором сохраняются сумма массовых чисел A и сумма зарядовых чисел Z. Проверка этих сумм позволяет определить неизвестное ядро и заметить ошибку в записи.

Радиоактивный изотоп — нестабильный изотоп, самопроизвольно распадающийся с испусканием частиц. Изотопы имеют одинаковый заряд ядра, но различное число нейтронов, а значит, и массовое число. Понятие нужно, чтобы описать продукт реакции, который позже изменится сам.

Позитрон — античастица электрона с положительным электрическим зарядом, равным по модулю заряду электрона. При позитронном распаде он вылетает из ядра, а заряд дочернего ядра уменьшается на единицу. Так объясняют превращение искусственно полученного фосфора-30 в кремний-30.

Как это устроено

При облучении стабильного ядра в него попадает частица, например протон или альфа-частица. Если взаимодействие приводит к перестройке ядра, происходит ядерная реакция: часть исходных частиц может остаться в новом ядре, а другие вылететь наружу. Продукт реакции иногда оказывается нестабильным, потому что его состав неустойчив. Тогда после реакции возникает искусственная радиоактивность.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри облучали алюминий альфа-частицами и обнаружили, что после прекращения облучения материал продолжает испускать излучение. Это наблюдение объясняется образованием радиоактивного фосфора-30 вместе с нейтроном. Альфа-частица содержит два протона и два нейтрона; при реакции её энергия позволяет ядру алюминия измениться. Нейтрон уносит часть нуклонов, а оставшееся ядро фосфора оказывается нестабильным.

Реакция записывается так: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n. Слева сумма массовых чисел равна 27 + 4 = 31, справа — 30 + 1 = 31. Зарядовые числа также совпадают: 13 + 2 = 15 + 0. Такие две независимые проверки подтверждают, что в уравнении учтены и нуклоны, и электрический заряд.

Фосфор-30 продолжает распадаться после выключения источника, потому что нестабильное ядро не нуждается в постоянной «подпитке» альфа-частицами. Оно испускает позитрон и превращается в кремний-30: ³⁰P → ³⁰Si + ⁰₊₁e. Массовое число остаётся равным 30, а заряд уменьшается с 15 до 14; вместе с позитроном суммарный заряд продуктов равен исходному. Так причина появления ядра и причина его распада оказываются разными этапами.

При естественной радиоактивности нестабильное ядро распадается без предварительного получения в реакции, тогда как искусственной предшествует вызвавшая превращение ядерная реакция. Сам распад в обоих случаях происходит самопроизвольно и подчиняется законам сохранения. Поэтому слова «искусственная» и «естественная» указывают прежде всего на происхождение нестабильного ядра, а не на различие в правилах распада.

Получение и распад радиоактивного ядра в опыте Жолио-Кюри

Читайте таблицу сверху вниз как последовательность: сначала исходное ядро облучают, затем образуется радиоактивный продукт, который распадается. В уравнениях проверяйте отдельно массовые числа и заряды слева и справа. Последние две строки описывают разные стороны одного распада: испускание позитрона и появление ядра кремния.

Разбор задач

Задача 1. При облучении ядра ²⁷Al альфа-частицами образуются ядро фосфора и нейтрон. Определите массовое число и заряд ядра фосфора. Неизвестные величины удобно находить по двум законам сохранения, не пытаясь угадать ответ по названию элемента.

1. Запишем схему: ²⁷Al + ⁴He → ᴬP + ¹n.
2. По массовым числам: 27 + 4 = A + 1, поэтому A = 30.
3. У алюминия Z = 13, у альфа-частицы Z = 2, у нейтрона Z = 0. Тогда заряд фосфора равен 13 + 2 = 15.

Ответ: ядро фосфора — ³⁰P, его зарядовое число Z = 15. Проверка по таблице элементов подтверждает, что элемент с зарядом 15 — фосфор. Оба закона сохранения выполнены.

Задача 2. Ядро ³⁰P испускает позитрон. Определите ядро-продукт и запишите уравнение распада. Позитрон обозначают ⁰₊₁e: его массовое число равно нулю, а зарядовое число — +1.

1. При распаде массовое число сохраняется, поэтому дочернее ядро также имеет A = 30.
2. По сохранению заряда: 15 = Z + 1, откуда Z = 14.
3. Элемент с Z = 14 — кремний, значит, продуктом будет ³⁰Si.

Ответ: ³⁰P → ³⁰Si + ⁰₊₁e. Массовые числа дают 30 = 30 + 0, а зарядовые — 15 = 14 + 1. Поэтому при испускании позитрона меняется заряд дочернего ядра, но не его массовое число.

Задача 3. Альфа-частицы с энергией 5,0 МэВ вызывают реакцию ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n, энергия реакции Q = −2,6 МэВ. Определите, возможна ли реакция и какова минимальная энергия альфа-частицы при неподвижном ядре алюминия. Отрицательное Q означает, что реакция поглощает энергию, но не задаёт порог напрямую: часть энергии нужна на движение продуктов.

1. Оценим порог эндоэнергетической реакции: Eпор ≈ −Q(1 + mα/mAl).
2. Для отношения масс используем массовые числа: mα/mAl ≈ 4/27. Тогда Eпор ≈ 2,6(1 + 4/27) МэВ ≈ 3,0 МэВ.
3. Сравним энергию налетающей частицы с порогом: 5,0 МэВ > 3,0 МэВ, следовательно, реакция энергетически возможна.

Ответ: реакция возможна, а минимальная энергия альфа-частицы составляет примерно 3,0 МэВ. Значение 2,6 МэВ — это модуль энергии реакции, а не пороговая энергия. Поправка в формуле учитывает отдачу продуктов при неподвижном исходном ядре.

Типичные ошибки

Называть искусственной радиоактивностью само облучение неверно: облучение лишь вызывает реакцию, а радиоактивность относится к нестабильным ядрам, которые образовались. Путаница появляется из-за того, что оба события следуют одно за другим. Проверьте себя вопросом: что именно распадается — источник частиц или полученное ядро?

Другая ошибка — считать, что распад остановится вместе с облучением. Облучение создаёт нестабильный изотоп, но затем его распад происходит самопроизвольно; эти процессы не требуют одновременного протекания. Если излучение продолжается после выключения установки, это не означает, что облучение продолжается: причиной могут быть уже полученные радиоактивные ядра.

Ядерное уравнение нельзя проверять только по одному балансу. Иногда массовые числа сходятся, но заряды — нет, или наоборот; поэтому ошибку легко пропустить. Складывайте A и Z отдельно для обеих сторон уравнения и сравнивайте результаты попарно.

При испускании позитрона не нужно уменьшать массовое число дочернего ядра. Массовое число сохраняется, а зарядовое число ядра уменьшается на единицу, поскольку позитрон уносит положительный заряд. Для самопроверки подставьте числа в оба баланса: A слева и справа одинаково, а Z ядра плюс заряд позитрона равен исходному Z.

Связь с другими темами

Для решения задач нужны знания о составе атомного ядра, обозначении изотопов и сохранении массового числа и электрического заряда. Тема опирается также на представления о радиоактивном распаде и альфа-частицах. Позже эти знания пригодятся при изучении ядерных реакций и способов получения радиоизотопов.

Искусственные радиоизотопы используют в медицине, научных исследованиях и технике. При рассмотрении каждого применения важно различать этап получения изотопа и его дальнейший распад. Свойства радиоактивного ядра определяют, как и для какой задачи его можно использовать.

Что запомнить

• Искусственную радиоактивность вызывают ядерные реакции.
• Облучение может превратить стабильное ядро в радиоактивный изотоп.
• Нестабильный продукт реакции распадается и после прекращения облучения.
• В ядерных уравнениях сохраняются массовое число и электрический заряд.
• При позитронном распаде массовое число сохраняется, а заряд ядра уменьшается на единицу.
• Искусственная и естественная радиоактивность различаются происхождением нестабильных ядер.