2. Радиоактивность

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся излучением. Самопроизвольное означает, что распад не нужно запускать внешним воздействием. Это понятие помогает описывать превращения ядер и появление радиации в природе или в установках.

Радиоактивное излучение — поток частиц или электромагнитных квантов, испускаемых при радиоактивном распаде. Частицами являются, например, альфа-частицы, электроны и позитроны, а квантами — фотоны гамма-излучения. По составу излучения можно определить его заряд, отклонение в полях и действие на вещество.

Период полураспада — время, за которое распадается половина исходных радиоактивных ядер. Его обозначают буквой T и измеряют в секундах, сутках, годах или других единицах времени. Период полураспада нужен, чтобы находить, какая доля ядер останется через заданный промежуток времени.

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Поэтому изотопы имеют одинаковое число протонов, но разные массовые числа. Одни изотопы устойчивы, а другие радиоактивны, что важно для физики, химии и медицины.

Как это устроено

Радиоактивность возникает, когда состав ядра не обеспечивает ему устойчивого состояния. В ядре действуют силы притяжения между нуклонами и электрическое отталкивание протонов, поэтому при некоторых сочетаниях протонов и нейтронов равновесие нарушается. Такое ядро самопроизвольно переходит в более устойчивое состояние, испуская частицу или квант энергии.

При распаде одно ядро превращается в другое, потому что меняется число протонов или нейтронов. Если меняется число протонов, меняется заряд ядра и химический элемент, к которому оно относится. Сохраняются массовое число и электрический заряд с учётом всех частиц, участвующих в превращении, поэтому по этим величинам можно установить образовавшееся ядро.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия: двух протонов и двух нейтронов. Бета-излучение состоит из быстрых электронов или позитронов, которые имеют отрицательный или положительный заряд. Гамма-излучение — это электромагнитные кванты высокой энергии, поэтому оно не является потоком массивных заряженных частиц.

Заряженные альфа- и бета-частицы отклоняются электрическим полем в противоположные стороны, если их заряды имеют разные знаки. В магнитном поле направление отклонения зависит также от направления движения частицы, а величина отклонения связана с её массой и скоростью. Бета-частицы отклоняются сильнее альфа-частиц, тогда как гамма-кванты в электрическом и магнитном полях не отклоняются.

Проникающая способность определяется тем, насколько легко излучение проходит через вещество и теряет энергию. Альфа-частицы быстро сталкиваются с атомами, поэтому сильно ионизируют вещество, но задерживаются листом бумаги или верхним слоем кожи. Бета-частицы проникают глубже, а гамма-кванты проходят особенно далеко и требуют массивной защиты; при этом опасность зависит не только от проникновения, но и от дозы.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Таблицу удобно использовать как последовательность признаков: сначала определить природу и заряд, затем проверить отклонение в полях. После этого сравните проникающую способность и выберите подходящую защиту. Оценивать опасность нужно по совокупности свойств, дозе и условиям облучения.

Разбор задач

Задача 1. Определение вида излучения

Излучение имеет отрицательный заряд, сильно отклоняется в магнитном поле и обладает средней проникающей способностью. Требуется определить его вид. Сопоставим признаки с таблицей, а не будем делать вывод только по одному свойству.

1. Альфа-излучение заряжено положительно и отклоняется слабее, поэтому оно не подходит.
2. Гамма-излучение не имеет заряда и не отклоняется в полях, поэтому его тоже исключаем.
3. Бета-излучение состоит из электронов или позитронов; отрицательный заряд указывает на электроны, а сильное отклонение и средняя проникающая способность совпадают с условием.

Ответ: бета-излучение, точнее поток быстрых электронов.

Задача 2. Альфа-распад урана-238

Нужно записать превращение ядра урана-238 при альфа-распаде и определить дочернее ядро. При таком распаде испускается ядро гелия ⁴₂He, поэтому массовое число и заряд исходного ядра уменьшаются на 4 и на 2. Именно сохранение этих величин позволяет найти новый элемент.

1. Для урана-238 массовое число A = 238, зарядовое число Z = 92.
2. После испускания альфа-частицы получаем A = 238 − 4 = 234 и Z = 92 − 2 = 90.
3. Элемент с зарядовым числом 90 — торий, поэтому дочернее ядро обозначается ²³⁴₉₀Th.
4. Записываем уравнение: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He.

Ответ: образуется ядро тория-234.

Задача 3. Период полураспада

Период полураспада вещества равен 6 суткам. Нужно определить, какая часть исходного числа ядер останется через 18 суток. Сначала найдём число прошедших периодов, затем каждый раз будем делить оставшееся число ядер на два.

1. Число периодов: n = 18 : 6 = 3.
2. После первого периода останется ½ исходного количества, после второго — ½ · ½ = ¼.
3. После третьего периода останется ¼ · ½ = ⅛.

Ответ: через 18 суток останется ⅛ исходного числа ядер, то есть 12,5%.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать радиоактивность свойством только искусственно созданных веществ. Её допускают, потому что чаще вспоминают ядерные установки, хотя радиоактивные изотопы существуют и в природе. Проверьте себя: спросите, может ли нестабильное ядро встречаться без участия человека.

Ошибка 2. Путать бета- и гамма-излучение. Причина ошибки — оба вида могут обладать большой энергией, но бета-частицы заряжены, а гамма-кванты электрического заряда не имеют. Проверка проста: заряженный поток отклоняется в электрическом поле, нейтральный — нет.

Ошибка 3. Представлять период полураспада как распад ровно половины каждого атома. Отдельное ядро распадается случайно, поэтому период относится к большому числу ядер и описывает средний результат. Для проверки применяйте последовательное деление общего количества на два.

Ошибка 4. Сравнивать опасность только по проникающей способности. Так забывают об ионизирующем действии, дозе, времени воздействия и пути попадания вещества в организм. Проверяйте вывод по нескольким признакам, а не только по глубине проникновения.

Связь с другими темами

До изучения радиоактивности нужно знать строение атома и ядра, свойства протонов и нейтронов, электрический заряд, а также действие электрического и магнитного полей. Эти знания объясняют состав излучения и его отклонение.

Дальше тема связана с ядерными реакциями, получением ядерной энергии, дозиметрией и защитой от радиации. Период полураспада используется при оценке активности источников.

С химией и медициной радиоактивность связывают через изотопы, радиоуглеродный метод, лучевую диагностику и лучевую терапию. Одни и те же свойства изотопов позволяют исследовать вещества и лечить заболевания.

Что запомнить

• Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер.
• При распаде ядра могут испускаться альфа-, бета- и гамма-излучения.
• Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
• Бета-излучение представляет собой поток быстрых электронов или позитронов.
• Гамма-излучение является электромагнитным излучением высокой энергии.
• Период полураспада — время уменьшения числа нераспавшихся ядер в два раза.
• Радиоактивное излучение ионизирует вещество и требует соблюдения правил защиты.