§ 10. Ядерная реакция и радиоактивность

Определения и обозначения

Ядерная реакция — изменение состава или состояния атомного ядра при его взаимодействии с другой частицей или ядром. В результате могут появиться новые ядра и частицы. Это понятие нужно, чтобы отличать превращения ядра от обычных химических реакций.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождаемое испусканием излучения. Для начала распада не требуется внешнее столкновение. Понятие помогает описывать естественный процесс, происходящий с некоторыми веществами.

Радионуклид — разновидность атомов с нестабильными ядрами, способными к радиоактивному распаду. У одного элемента могут быть устойчивые и радиоактивные изотопы. Поэтому при оценке вещества важно знать не только его название, но и состав ядра.

Ионизирующее излучение передаёт энергию веществу и может превращать нейтральные атомы и молекулы в ионы. Ионы химически активнее исходных частиц. Поэтому такое излучение способно изменять живые ткани и требует мер защиты.

Как это устроено

Свойства атома определяются не только электронной оболочкой. В ядре находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, а электроны образуют оболочку вокруг него. Число протонов задаёт химический элемент, число протонов и нейтронов вместе называют числом нуклонов; их обозначают зарядовым числом Z и массовым числом A.

Некоторые ядра нестабильны, потому что их состав или энергетическое состояние не обеспечивает равновесия между ядерными силами и электрическим отталкиванием протонов. Такое ядро стремится перейти в более устойчивое состояние. Поэтому оно самопроизвольно распадается и превращается в ядро другого элемента или в другой изотоп.

При радиоактивном распаде ядро может испустить альфа-частицу, бета-частицу или гамма-квант. Альфа-частица — ядро гелия, бета-частица обычно является быстрым электроном, а гамма-излучение представляет собой электромагнитную волну. Различия в составе объясняют их разные заряды, проникающую способность и способы защиты.

Ядерная реакция может начаться при столкновении ядра с нейтроном, протоном или другой частицей. Во время такого взаимодействия исходные ядра превращаются в новые, а энергия перераспределяется. Она может выделяться, например при делении тяжёлого ядра, или поглощаться, если для реакции нужна дополнительная энергия.

Излучение опасно потому, что при ионизации оно повреждает молекулы клеток и нарушает работу тканей. Сила воздействия зависит от полученной дозы, времени облучения, расстояния до источника и вида излучения. Поэтому используют три основных принципа: сокращают время, увеличивают расстояние и устанавливают подходящую преграду.

Сравнение видов радиоактивного излучения

Сначала определите, что именно переносит излучение: частицу или электромагнитную волну. Затем сравните его способность проходить через вещество и выбирайте преграду, рассчитанную на этот вид излучения. Небольшая проникающая способность альфа-частиц не означает полной безопасности: при попадании радиоактивного вещества внутрь организма они могут повредить ткани.

Разбор задач

1. Какая преграда нужна для разных излучений?

Нужно определить, какое из трёх излучений задержит лист бумаги, а для какого потребуется более плотная преграда. Сравнивать следует именно проникающую способность, а не только опасность излучения. Также надо помнить, что внешний источник и радиоактивное вещество внутри организма создают разные условия.

1. Альфа-частицы являются тяжёлыми заряженными ядрами и быстро теряют энергию в веществе.
2. Бета-частицы проникают дальше, поэтому для них нужна пластина из алюминия или другого подходящего материала.
3. Гамма-излучение не является потоком заряженных частиц и проходит глубже, поэтому его ослабляют свинцом, бетоном или большой толщиной материала.

Ответ: бумага задерживает альфа-излучение, бета-излучение требует более плотной преграды, а для гамма-излучения нужна наиболее массивная защита. При внутреннем загрязнении альфа-излучение особенно опасно, несмотря на слабое проникновение снаружи.

2. Как найти пропущенную частицу в реакции?

Рассмотрим реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ?. Неизвестно, какая частица образовалась справа. Используем два закона сохранения: сумма массовых чисел A и сумма зарядовых чисел Z должны быть одинаковыми до и после реакции.

1. Слева получаем A = 14 + 4 = 18, а Z = 7 + 2 = 9.
2. У кислорода справа уже есть A = 17 и Z = 8, значит для неизвестной частицы остаются A = 18 − 17 = 1 и Z = 9 − 8 = 1.
3. Частица с массовым числом 1 и зарядовым числом 1 — это протон, обозначаемый ¹₁H.

Ответ: пропущена частица ¹₁H. Проверка выполняется обратным сложением: 17 + 1 = 18 по массовым числам и 8 + 1 = 9 по зарядовым числам.

3. Как действовать при радиационной аварии?

После аварии человеку предлагают остаться рядом с источником, отойти, сократить время пребывания или укрыться за преградой. Нельзя пытаться рассмотреть или перенести неизвестный предмет. Нужно выбрать действия, которые одновременно уменьшают время, расстояние и прямое воздействие излучения.

1. Сразу отойдите от источника и не приближайтесь к нему: при увеличении расстояния воздействие обычно резко уменьшается.
2. Сократите время пребывания в опасной зоне и не возвращайтесь за вещами без разрешения специалистов.
3. Укройтесь в здании или за толстой преградой, если это возможно, и сообщите об источнике в экстренные службы.

Ответ: правильный порядок — не трогать источник, увеличить расстояние, сократить время рядом с ним и использовать укрытие. Конкретный вид защиты зависит от типа и энергии излучения, поэтому окончательные указания дают специалисты.

Типичные ошибки

Считать радиоактивность искусственным процессом. Ошибка возникает из-за смешения радиоактивного распада с ядерной реакцией, которую можно вызвать столкновением. Проверяйте себя вопросом: требуется ли внешнее воздействие; при распаде нестабильное ядро изменяется самопроизвольно.

Путать радиоактивное вещество и излучение. Вещество может быть источником излучения, но источник и испускаемый поток — не одно и то же. Чтобы не ошибиться, разделяйте объект, который распадается, и энергию или частицы, которые он испускает.

Считать гамма-излучение потоком заряженных частиц. Так думают, потому что все виды радиации невидимы и могут ионизировать вещество. Проверьте состав: гамма-излучение является электромагнитной волной и не имеет электрического заряда.

Полагать, что любая преграда защищает одинаково. Такая ошибка появляется, если запомнить только слово «защита», не учитывая вид и энергию излучения. Сначала определите излучение, затем подберите материал и толщину экрана.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, а также о протонах, нейтронах и электронах. Их свойства объясняют заряд ядра и различия между атомами.

Радиоактивность связана с изотопами — разновидностями одного элемента с разным числом нейтронов. В уравнениях ядерных реакций применяются законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов.

Эти представления понадобятся при изучении ядерной энергетики, радиационной безопасности и применения излучения в медицине. Они помогают понимать работу ядерных установок и правила поведения при авариях.

Что запомнить

• Ядерная реакция изменяет состав или состояние атомного ядра.
• Радиоактивность — самопроизвольный распад нестабильных ядер.
• При распаде ядро может испускать альфа-, бета- или гамма-излучение.
• В ядерной реакции сохраняются суммарные зарядовое число и число нуклонов.
• Ионизирующее излучение может повреждать живые ткани.
• Для снижения облучения сокращают время воздействия, увеличивают расстояние и применяют подходящую защиту.